Medicago sativa lmejora de la productividad y nuevos aspectos de su valor nutritivo y funcional

Abstract

La Familia Leguminosae (Fabaceae), comprende de 17.000 a 19.000 especies incluyendo hierbas, arbustos y árboles, con representantes en casi todos los biomas terrestres (Grether, 2005). Entre las características más importantes de las leguminosas se encuentran el alto contenido en proteína de su fruto y el contenido en fibra, almidón, vitaminas, minerales y componentes bioactivos (Rebello et al., 2014)Los principales efectos beneficiosos que han sido descritos relacionados con el consumo de las leguminosas han sido sobre el metabolismo glucídico, ya que son capaces de disminuir la glucemia en sangre así como la resistencia a la insulina. Han sido muchos estudios los que han descrito este beneficio, conjuntamente con otros efectos positivos sobre el metabolismo lipídico, entre los que destacan la disminución los niveles plasmáticos de colesterol total, colesterol ¿ LDL y triglicéridos (Barrios-Ramos et al., 2012; Kapravelou et al., 2013; Shahraki et al., 2011; Simão et al., 2014; Te Morenga et al., 2011; Tovar et al., 2014). A nivel agronómico o ecológico, otra de las propiedades más importantes de las leguminosas es su capacidad para formar asociaciones simbióticas con bacterias del suelo, mediante la que se lleva a cabo el proceso de fijación de nitrógeno ya que el 80% de la fijación biológica de nitrógeno en suelos agrícolas proviene de la interacción simbiótica entre los rizobios y las leguminosas (Peña and Pueyo, 2011). En este sentido, Medicago sativa (alfalfa), forma asociaciones simbióticas con Ensifer meliloti y debido a su gran capacidad de adaptación es un cultivo de rotación importante, proporcionando estructura al suelo y aporte de nitrógeno. Además, M. sativa, es una leguminosa muy valorada como forraje debido a su alto valor nutritivo, ya que la materia verde de las plantas de alfalfa contiene del 17-22% de proteína total. Así mismo, la planta desecada no solo incluye nutrientes, sino también componentes bioactivos (Gholami et al., 2014) a los que se le han atribuido, entre otras funciones, la capacidad de disminuir la presión arterial (Kapel et al., 2006). El rendimiento de la productividad de la alfalfa, al igual que otras muchas plantas y leguminosas, se ve reducido bajo condiciones de estrés salino (Munns and Tester, 2008)y se estima que el 20 % de la tierra irrigada en el mundo está afectada por la salinidad (Yamaguchi and Blumwald, 2005). Los suelos salinos se encuentran distribuidos por todo el planeta, estando muy bien representandos en el sur de España, concretamente en el norte de la provincia de Granada los suelos Solonchak órtico (IUSS Working Group WRB, 2007) ó Xeric Calcigypsid (Soil Survey Staff, 2010). El estrés salino, afecta mayoritariamente a los cultivos de suelos deficientes en nitrógeno, ya que se disminuye el número de rizobios que colonizan, infectan y desarrollan nódulos en la raíz (Bouhmouch et al., 2005)y por tanto la capacidad de fijación de nitrógeno (Shamseldin and Werner, 2005). Si bien, aunque la productividad de los cultivos puede disminuir, ha sido demostrado que la calidad de los mismos es susceptible a aumentar, tanto en su composición nutricional como funcional (Colla et al., 2013). Además, ha sido descrito que la inoculación de rizobios específicos sobre leguminosas conjuntamente con distintas cepas bacterianas pueden aumentar la productividad de las plantas cuando son cultivadas bajo este tipo de estrés abiótico (Ahmad et al., 2011, 2013; Fatnassi et al., 2013). En este sentido, Halomonas maura es una bacteria halófila moderada que es capaz de crecer en un amplio rango de concentraciones salinas y puede fijar nitrógeno bajo condiciones microaeróbicas (Argandoña et al., 2005); incluso tiene la capacidad de sintetizar un exopolisacárido, el maurano (Arias et al., 2003). Por todo lo anteriormente dicho, en la presente tesis doctoral, se plantearon dos fases de trabajo con los siguientes objetivos: FASE 1. Potenciar el crecimiento, valor nutricional y funcional de la leguminosa M. sativa, cultivada bajo condiciones específicas de salinidad: 1) en invernadero y 2) en campo, co-inoculándo la leguminosa con su rizobio específico Ensifer meliloti y la bacteria Halomonas maura. La salinidad ejerció efectos negativos sobre las plantas de alfalfa, pero la co-inoculación de la leguminosa con las dos bacterias, cuando se cultivó bajo condiciones de invernadero promovió una mejora de la productividad, de los parámetros fisiológicos (leghemoglobina y potencial hídrico), así como un aumento en el contenido mineral de la alfalfa, especialmente calcio y magnesio. Además aumentó su capacidad antioxidante, cuando la planta fue co-inoculada con las dos bacterias, H. maura y E. meliloti. Teniendo en cuenta estos resultados, se cultivó alfalfa en invernadero a la concentración de sales 100 mM, y con los dos tratamientos bacterianos: inoculada con E. meliloti o co-inoculada con E. meliloti y H. maura para obtener material vegetal suficiente para llevar a cabo la Fase 2.1. Con respecto al experimento llevado a campo, se observó que la co-inoculación produjo un aumento de la productividad de la alfalfa, que incluso llegó hasta un 50% con respecto a las plantas que no fueron inoculadas. FASE 2. Fase 2.1. Ensayar M. sativa (inoculada con E. meliloti o co-inoculada con E. meliloti y H. maura) como fuente de proteína, fibra y Ca en un modelo experimental de rata Wistar en crecimiento. En esta fase se observó que la utilización de la alfalfa como única fuente de proteína, disminuyó su digestibilidad y conllevó a una disminución del incremento de peso. Sin embargo algunos beneficios de la administración de alfalfa se observaron: disminuyó el peso del hígado, la glucosa plasmática, triglicéridos, colesterol total plasmático y se produjo un aumento de los minerales totales en músculo, y de P, Mg y Ca en hueso; así como una mejora en la utilización nutritiva de Mg. Las diferencias encontradas entre los dos tratamientos de alfalfa no fueron remarcables. Fase 2.2. Ensayar M. sativa, cultivada en campo, como fuente de fibra y componentes bioactivos, en un modelo experimental de rata espontáneamente hipertensa (SHR) y su control normotenso Wistar Kyoto (WKY). Los resultados más relevantes que se obtuvieron fueron una leve mejoría en los valores de presión arterial mediada por el consumo de alfalfa en los animales hipertensos. Así mismo, se observó una disminución del riesgo de sufrir nefrolitiasis. Además el consumo de alfalfa ejerció efectos beneficiosos en los animales que desarrollaron hipertensión como algunos parámetros del metabolismo lipídico disminuyendo el peso del hígado, los niveles plasmáticos de triglicéridos y colesterol. Con respecto al metabolismo glucídico los niveles de glucosa plasmática disminuyeron, el área bajo la curva tras un test de tolerancia oral a la glucosa también se vió disminuido, y las enzimas Ck-MB (marcadora de daño cardíaco) y fosfatasa alcalina (marcadora de daño hepático) disminuyeron sus actividades. Otro de los efectos positivos fue la disminución de la formación de especies reactivas del ácido tiobarbitúrico que debido al desarrollo de la hipertensión se formaron en el hígado, además el consumo de alfalfa consiguió aumentar la actividad enzimática de la glutatión peroxidasa que había dismininuido en el hígado de los animales hipertensos. Incluso el consumo de alfalfa aumentó la expresión génica del péptido GLP-1 en muestras de colon de los animales hipertensos. Ahmad, M., Zahir, Z.A., Asghar, H.N., and Asghar, M. (2011). Inducing salt tolerance in mung bean through coinoculation with rhizobia and plant-growth-promoting rhizobacteria containing 1-aminocyclopropane-1-carboxylate deaminase. Can. J. Microbiol. 57, 578¿589. Ahmad, M., Zahir, Z.A., Khalid, M., Nazli, F., and Arshad, M. (2013). Efficacy of Rhizobium and Pseudomonas strains to improve physiology, ionic balance and quality of mung bean under salt-affected conditions on farmer¿s fields. Plant Physiol. Biochem. 63, 170¿176. Argandoña, M., Fernández-Carazo, R., Llamas, I., Martínez-Checa, F., Caba, J.M., Quesada, E., and del Moral, A. (2005). The moderately halophilic bacterium Halomonas maura is a free-living diazotroph. FEMS Microbiol. Lett. 244, 69¿74. Arias, S., Moral, A. del, Ferrer, M.R., Tallon, R., Quesada, E., and Béjar, V. (2003). Mauran, an exopolysaccharide produced by the halophilic bacterium Halomonas maura, with a novel composition and interesting properties for biotechnology. Extremophiles 7, 319¿326. Barrios-Ramos, J.P., Garduño-Siciliano, L., Loredo, M., Chamorro-Cevallos, G., and Jaramillo-Flores, M.E. (2012). The effect of cocoa, soy, oats and fish oil on metabolic syndrome in rats. J. Sci. Food Agric. 92, 2349¿2357. Bouhmouch, I., Souad-Mouhsine, B., Brhada, F., and Aurag, J. (2005). Influence of host cultivars and Rhizobium species on the growth and symbiotic performance of Phaseolus vulgaris under salt stress. J. Plant Physiol. 162, 1103¿1113. Colla, G., Rouphael, Y., Cardarelli, M., Svecova, E., Rea, E., and Lucini, L. (2013). Effects of saline stress on mineral composition, phenolic acids and flavonoids in leaves of artichoke and cardoon genotypes grown in floating system. J. Sci. Food Agric. 93, 1119¿1127. Fatnassi, I.C., Chiboub, M., Saadani, O., Jebara, M., and Jebara, S.H. (2013). Phytostabilization of moderate copper contaminated soils using co-inoculation of Vicia faba with plant growth promoting bacteria. J. Basic Microbiol. n/a ¿ n/a. Gholami, A., De Geyter, N., Pollier, J., Goormachtig, S., and Goossens, A. (2014). Natural product biosynthesis in Medicago species. Nat. Prod. Rep. 31, 356¿380. Grether, R. (2005). - Reseña de ¿Legumes of the world¿ de Lewis, G.; Schrire, B.; Mackinder, B.; Lock, M.JF - Boletin de la Sociedad Botanica de Mexico. - 75-77. IUSS Working Group WRB (2007). World Reference Base for Soil Resources 2006, first update 2007. World Soil Resources Reports No. 103. Kapel, R., Chabeau, A., Lesage, J., Riviere, G., Ravallec-Ple, R., Lecouturier, D., Wartelle, M., Guillochon, D., and Dhulster, P. (2006). Production, in continuous enzymatic membrane reactor, of an anti-hypertensive hydrolysate from an industrial alfalfa white protein concentrate exhibiting ACE inhibitory and opioid activities. Food Chem. 98, 120¿126. Kapravelou, G., Martínez, R., Andrade, A.M., Sánchez, C., Chaves, C.L., López-Jurado, M., Aranda, P., Cantarero, S., Arrebola, F., Fernández-Segura, E., et al. (2013). Health promoting effects of Lupin (Lupinus albus var. multolupa) protein hydrolyzate and insoluble fiber in a diet-induced animal experimental model of hypercholesterolemia. Food Res. Int. 54, 1471¿1481. Munns, R., and Tester, M. (2008). Mechanisms of Salinity Tolerance. Annu. Rev. Plant Biol. 59, 651¿681. Peña, T.C. de la, and Pueyo, J.J. (2011). Legumes in the reclamation of marginal soils, from cultivar and inoculant selection to transgenic approaches. Agron. Sustain. Dev. 32, 65¿91. Rebello, C.J., Greenway, F.L., and Finley, J.W. (2014). A review of the nutritional value of legumes and their effects on obesity and its related co-morbidities. Obes. Rev. Off. J. Int. Assoc. Study Obes. 15, 392¿407. Shahraki, M.R., Harati, M., and Shahraki, A.R. (2011). Prevention of high fructose-induced metabolic syndrome in male wistar rats by aqueous extract of Tamarindus indica seed. Acta Med. Iran. 49, 277¿283. Shamseldin, A., and Werner, D. (2005). High salt and high pH tolerance of new isolated Rhizobium etli strains from Egyptian soils. Curr. Microbiol. 50, 11¿16. Simão, A.N.C., Lozovoy, M.A.B., and Dichi, I. (2014). Effect of soy product kinako and fish oil on serum lipids and glucose metabolism in women with metabolic syndrome. Nutr. Burbank Los Angel. Cty. Calif 30, 112¿115. Soil Survey Staff (2010). Keys to Soil Taxonomy (Washington, DC: USDA-Natural Resources Conservation Service). Te Morenga, L.A., Levers, M.T., Williams, S.M., Brown, R.C., and Mann, J. (2011). Comparison of high protein and high fiber weight-loss diets in women with risk factors for the metabolic syndrome: a randomized trial. Nutr. J. 10, 40. Tovar, J., Nilsson, A., Johansson, M., and Björck, I. (2014). Combining functional features of whole-grain barley and legumes for dietary reduction of cardiometabolic risk: a randomised cross-over intervention in mature women. Br. J. Nutr. 111, 706¿714. Yamaguchi, T., and Blumwald, E. (2005). Developing salt-tolerant crop plants: challenges and opportunities. Trends Plant Sci. 10, 615¿620.