Biofortificación con potasio en plantas de tomate cherryestudio de la producción y calidad de frutos en cosecha y postcosecha

Resumen

El tomate (Solanum lycopersicum L.) es una planta hortícola anual con una gran distribución mundial y un valor económico elevado, que gracias a su gran contenido en compuestos antioxidantes presenta una serie de efectos beneficiosos para la salud a través de su consumo. Introducido desde América del Sur a principios del siglo XVIII, el tomate (tanto fresco como procesado) es un componente esencial en la dieta mediterránea tradicional, una dieta comúnmente conocida por ser beneficiosa para la salud, especialmente en relación al desarrollo de enfermedades degenerativas crónicas. Muchos estudios epidemiológicos han relacionado al efecto beneficioso del consumo de tomate con la prevención de algunas de las principales enfermedades crónicas, como son algunos tipos de cáncer y enfermedades cardiovasculares. Los beneficios protectores de los compuestos antioxidantes son, en parte, debidos a su capacidad de detoxificar los radicales libres y, por tanto, prevenir los cambios oxidativos anormales producidos en el cuerpo humano. Así, los tomates son beneficiosos para la salud humana gracias a su elevado contenido de fitonutrientes como licopeno, ß-caroteno, compuestos fenólicos, ácido ascórbico y otros nutrientes esenciales. Respecto a las características nutricionales de los frutos de tomate, uno de los fitonutrientes más característicos del tomate es el licopeno (Lyc), un carotenoide con una gran capacidad de eliminar especies reactivas de oxígeno (ROS) y que representa más del 80% de los carotenoides totales en el fruto de tomate. El Lyc es también responsable del enrojecimiento del tomate, debido a la diferenciación de los cloroplastos a cromoplastos, por eso este carotenoide es muy importante en la calidad nutricional final y comercial de este producto hortícola. Existen muchos estudios donde se observa una fuerte relación entre la calidad nutricional del tomate y su contenido de Lyc, ya que se ha reconocido como una molécula que suprime la proliferación celular en humanos e interfiere con el crecimiento de las células cancerígenas, previniendo así la incidencia de cáncer de próstata. Otro carotenoide presente en los frutos de tomate es el ß-caroteno, un fotoprotector que actúa en la fotosíntesis como pigmento recolector de luz, aunque de menor importancia que el Lyc ya que constituye sólo el 7% del contenido total de carotenoides del fruto. El ß-caroteno, también conocido como pro-vitamina A, es un poderoso antioxidante con una serie de beneficios para la salud humana: ayuda al sistema inmune y destruye las células cancerígenas; reduce el riesgo de enfermedades cardiovasculares, síndrome de fatiga crónica, soriasis, cáncer de piel y lupus; y es necesario en la prevención de la ceguera y las cataratas, y en la recepción de luz por el ojo humano. Junto a los carotenoides, los compuestos fenólicos o polifenoles representan otra de las dos grandes clases de fitonutrientes encontrados en frutos y vegetales de la dieta mediterránea, y especialmente en frutos de tomate. Los polifenoles son unos componentes vegetales ubicuos que derivan principalmente de la fenilalanina a través del metabolismo fenilpropanoide. Además, estos compuestos confieren un papel importante en la respuesta a condiciones de estrés. Así, los compuestos fenólicos pueden actuar en las plantas como fitoalexinas, frente a la herbivoría, como atrayente de polinizadores, contribuyendo a la pigmentación vegetal, como antioxidantes y protegiendo frente a la luz UV. El interés de los compuestos fenólicos como antioxidantes se centra principalmente en los flavonoides. Las funciones de los flavonoides en las plantas no están todavía muy claras, aunque se les atribuyen funciones en los mecanismos de defensa frente a la herbivoría, estrés por patógenos y radiación UV-B. Por otro lado, existen estudios epidemiológicos que sugieren un beneficio por el consumo humano de frutas y verduras ricas en flavonoides, ya que protegen frente a las enfermedades cardiovasculares, cáncer u otras enfermedades relacionadas con la edad como la demencia. Finalmente, existen flavonoides, como las antocianinas, que son también importantes como antioxidantes, ya que protegen a las plantas frente al estrés oxidativo, actuando como un fotoprotector que absorbe la luz naranja-verde del espectro visible, previniendo así la foto-oxidación de las clorofilas. Además de la protección frente a la luz UV, a las antocianinas también se le han atribuido funciones como antioxidantes y antiherbivoría. Aparte de sus funciones fisiológicas en las plantas, las antocianinas se consideran componentes importantes en la nutrición humana, ya que producen un aumento en la capacidad antioxidante, transportándose a zonas con una actividad metabólica elevada donde producen una reducción en la permeabilidad y fragilidad de los capilares, inhibiendo la agregación de las plaquetas y toda estimulación inmune. Sin embargo, el antioxidante más efectivo de los diferentes productos vegetales es el ascorbato o vitamina C. Este compuesto tiene un papel fisiológico muy importante ya que, además de estar envuelto directamente en la eliminación de ROS y en la regeneración de la vitamina E en las plantas, participa en el metabolismo celular y en el control del crecimiento, en la división celular, en la expansión de la pared celular y en la organogénesis. Como un antioxidante, el ascorbato elimina directamente los ROS a través de una vía no enzimática y reduce el peróxido de hidrógeno a agua a través de la reacción ascorbato peroxidasa (APX). No obstante, el ascorbato puede ser sintetizado por las plantas y por la gran mayoría de los mamíferos, pero no por los seres humanos, donde es fundamental en el mantenimiento de un sistema inmune saludable, ya que reduce la severidad de algunas enfermedades como el resfriado o la gripe mediante la prevención de las infecciones virales secundarias o bacterianas, protegiendo frente al daño producido por los ROS, y en la prevención de enfermedades cardiovasculares. Por otro lado, una dieta rica en potasio (K) es esencial para mejorar, evitar o prevenir ciertas enfermedades en humanos. En la actualidad en los países desarrollados se consume una dosis baja de K (alrededor de 70 mmol día-1) debido al consumo de alimentos procesados y una dieta insuficiente en frutas y verduras. Debido a esta razón se esta empezando a trabajar en los llamados programas de biofortificación con K en plantas con el fin de aumentar la ingesta diaria de K. En este sentido distintos estudios tanto epidemiológicos como clínicos han demostrado que una dieta rica en K produce una reducción de la tensión arterial, reduce la mortalidad debida a enfermedades cardiovasculares, disminuye el riesgo de osteoporosis y previene el desarrollo de la diabetes. Estos trabajos muestran también que la mejor forma de tomar K en la dieta es mediante el consumo de frutas y hortalizas ricas en éste elemento, por lo que es necesario en la agricultura actual incrementar las concentraciones de K en los productos agrícolas destinados al consumo humano bien mediante la fertilización o bien mediante el uso de genotipos con una mayor eficacia en la utilización de este macronutriente. Además de su efecto beneficioso para los humanos, el K es uno de los nutrientes considerados como esenciales para la producción y calidad de los cultivos. El K parece ser uno de los nutrientes más importantes que puede afectar de forma positiva a la mejora de la calidad nutricional. Según las pocas investigaciones que se pueden encontrar al respecto el aumento en la fertilización con K induce la transpiración y la fotosíntesis en plantas lo que supone un aumento en la producción de fotoasimilados. Además un aumento en la fertilización con K supone un incremento del transporte de los fotoasimilados a los frutos lo que mejora su producción y calidad nutricional. Por otro lado el K también aumenta la síntesis de aminoácidos y proteínas en hojas y su posterior transporte a los frutos. En cuanto al efecto del K en frutos sobre otros compuestos responsables de la mejora de la calidad nutricional, se ha comprobado que su aplicación aumenta los carotenoides (Lyc, y ß-caroteno) y el ascorbato. Su posible efecto sobre el resto de las características nutricionales en frutos de tomate no se conoce aún por lo que es necesaria una investigación más exahustiva. Por todo ésto, los objetivos de ésta Tesis Doctoral fueron: 1. Evaluar el efecto de un programa de biofortificación con diferentes dosis de K en forma de KCl durante el ciclo de cultivo de plantas de tomate cherry sobre la producción y calidad de los frutos. 2. Analizar cómo afectó el almacenamiento a 4ºC durante 21 días a la fisiología de frutos de tomate cherry recolectados de plantas sometidas a un programa de biofortificación de K. Para llevar a cabo el primer objetivo de ésta Tesis Doctoral, semillas de tomates cherry (Solanum lycopersicum L. cv AsHiari injerta en portainjerto cv Maxifort) se sembraron en bandejas planas (tamaño de celda de 3 cm x 3 cm x 10 cm, 100 celdas por bandeja) llenos con una mezcla 50 % [v/v] perlita-vermiculita, y se mantuvieron en condiciones de invernadero durante 5 semanas. Posteriormente, las plántulas se trasplantaron a un invernadero experimental en la Estación Experimental La Nacla (Motril, cerca de la costa de Granada, en el sur de España (36º45'N, 3º30'W; altitud 130 m). El invernadero parral consistió en tres módulos con un techo a dos aguas simétrico, con una pendiente de 27 º y orientación longitudinal EW. El control ambiental activo se limitó a un sistema de ventilación natural cenital y lateral. En el invernadero, el material de revestimiento consistió en una película de múltiples capas de 0,2 mm de espesor, con una capa de etileno-vinilo-acetato de entre las dos capas interior (antigota) y exterior (de larga vida) de polietileno de baja densidad. Las plantas se cultivaron en sacos de 40-L llenos perlita B-12- (1,20 m de largo) espaciados 0,5 m de distancia en filas, con 1.4 m de separación. El marco de plantación fue de 3,21 plantas m-2, con 3 plantas de tomate por saco y 2 tallos por planta,. Su disposición en el invernadero fue en 12 filas con orientación Norte -Sur. El diseño estadístico fue en bloques al azar. Los diferentes tratamientos aplicados fueron: 5 mM de KCl, 10 mM de KCl, 15 mM de KCl y 20 mM de KCl desde el inicio hasta el final del experimento. Utilizando el mismo invernadero experimental. Se realizaron 2 ciclos de cultivo en años consecutivos que se extendieron desde Octubre de 2010 a Mayo de 2011 (Primer ciclo) y desde Octubre de 2011 a Mayo de 2012 (Segundo ciclo). Del efecto de un programa de biofortificación con K en forma de KCl durante los dos ciclos de cultivo y en los diferentes muestreos realizados se puede concluir que: i) Para los frutos de tomate cosechados la semana después del transplate (SDT) 20 se observó una mayor concentración de K, en especial con los tratamientos 15 y 20 mM KCl, los parámetros de capacidad antioxidante se vieron mejorados con estas dosis, aunque no incrementaron significativamente las cualidades organolépticas. Aunque el peso individual del fruto para los tratamientos de 15 a 20 mM KCl resultó ser inferior al de los recolectados de las plantas tratadas con las dosis de 5 a 10 mM KCl, el resto de los parámetros relativos a la producción comercial junto a la producción comercial acumulada no mostraron diferencias significativas, por lo que no se vio comprometida la producción comercial. ii) Los frutos de tomate cosechados a la SDT 24 acumularon menos K que los cosechados en la SDT 20, los parámetros de capacidad antioxidante se vieron mejorados con las dosis 15 y 20 mM KCl y se vieron incrementadas las cualidades organolépticas. iii) En general, y para los diferentes tratamientos de K en forma de KCl aplicados durante el programa de biofortificación propuesto, los frutos de tomate muestreados a la SDT 29 fueron los que menos K acumularon, presentaron una mejora en la capacidad antioxidante y en cuanto a las cualidades organolépticas, mostraron una tendencia a descender con las dosis más elevadas de K. Respecto al segundo objetivo de ésta Tesis Doctoral, cuantificación de la capacidad antioxidante, medida de los índices de calidad y estudio del metabolismo del carbono tras el periodo de almacenamiento postcosecha, optamos por utilizar los frutos de tomate cosechados en la SDT 20 ya que fueron los que mayor concentración de K acumularon. En éstos se observó más claramente el efecto de los diferentes tratamientos respecto a la concentración de K en frutos. Por éstas razones ¿a priori¿ cabe esperar que si existe un efecto del K sobre la postcosecha, se observe de forma más evidente en éstos frutos. Los frutos estudiados fueron los cosechados de las plantas sometidas a las dosis 5, 10 y 15 mM KCl, eliminando el tratamiento de 20 mM KCl ya que entre éste tratamiento y el de 15 mM KCl no se observaron diferencias significativas entre las [K]. De los estudios realizados y que forman parte de éste segundo objetivo de la tésis destacar que: i) La aplicación de un programa de biofortificación de K en forma de KCl a altas tasas de aplicación (15 mM) podría constituir una estrategia beneficiosa para mejorar la calidad y la capacidad antioxidante de los frutos de tomate cherry que son almacenados en frío antes de su consumo. El tratamiento de 15 mM de KCl, además, impide la pérdida de peso y el agua en frutos de tomate cherry durante el almacenamiento postcosecha a 4°C durante 21 días, supone una mayor acumulación de la concentración de K e induce un aumento de la capacidad antioxidante mediante el aumento de la concentración de Lyc, mantiene el contenido en vitamina C, ácido hidroxicinámico y sus derivados, y aumenta los flavonoides y derivados, lo que significa que el consumo de estos frutos podría ofrecer beneficios para la salud humana. ii) Por otro lado, demostramos que un programa de biofortificación adecuado con K puede resultar beneficioso, ya que alivia el estrés por frío en frutos de tomate resultante del almacenamiento de éstos en cámaras frigoríficas. En concreto, los frutos de tomate de las plantas tratadas con 15 mM KCl presentaron menor pérdida de biomasa después del almacenamiento postcosecha, así como un menor grado de peroxidación lipídica, posiblemente debido a una mayor actividad APX y monodehidroascorbato reductasa (MDHAR), lo que sugiere una mayor eficacia en la detoxificación de ROS así como en la regeneración del ascorbato (AsA). Además, bajo este tratamiento de K, los frutos presentaron un mayor ¿pool¿ de AsA, así como una mayor concentración de glutation reducido (GSH). Por lo tanto, se concluye que la dosis de 15 mM de KCl aplicada a esta variedad de tomate podría ser adecuada para mitigar los efectos negativos causados por el almacenamiento postcosecha a bajas temperaturas. iii) Finalmente, y respecto al metabolismo del carbono, la aplicación de un programa de biofortificación con K a concentraciones de 10 mM y específicamente con el tratamiento de 15 mM de KCl, estimuló la degradación de sacarosa por la actividad sacarosa sintasa (SuSy), incrementó los niveles de glucosa (Glu) y fructosa (Fru) y la inducción de la acumulación de malato por la actividad de las enzimas fosfoenol piruvato carboxilasa (PEPC) y malato deshidrogenasa (MDH) durante el almacenamiento durante 21 días a 4ºC. Por lo tanto, en nuestro trabajo la acumulación de Glu, Fruc, y malato podrían explicar la función de protección durante el almacenamiento en frío que produce el tratamiento 15 mM de KCl. Por último, indicar que la aplicación de un programa de biofortificación con altas dosis de K (en nuestro caso 10 y 15 mM de KCl) mejora claramente la calidad organoléptica de los frutos de tomate cherry durante la postcosecha a 4ºC, con un aumento del índice de dulzor.