Elicitation strategies in preharvest to increase quality of table grape and pomegranate fruit at harvest and during storage

Abstract

Pomegranate and table grape are fruit with high acceptation by consumers due to their organoleptic quality and their content in both nutritive and bioactive compounds related to human health. However, the table grape cultivars, ‘Crimson’ and ‘Magenta’, and the ‘Mollar de Elche’ pomegranate show an important lack of red intense colour at harvest and some others alterations that determine their quality losses during postharvest storage. Fungal decay in table grape and in the case of pomegranate its sensitivity to develop chilling injury (CI) when they are stored under cold conditions are key factors which compromise fruit storage, transport and marketing. In recent years, research has been performed aimed to find preharvest treatments with natural compounds to increase fruit quality at harvest and to maintain it during storage, due to consumers’ concerns and legal restrictions regarding the use of postharvest chemical treatments. In this sense, the application of naturally occuring plant compounds as preharvest treatments to delay ripening and senescence, preserving fruit and vegetable quality, has received considerable attention. Therefore, the aim of this PhD Thesis is to provide solutions to the pomegranate and table grape quality problems through preharvest treatments with methyl jasmonate (MeJa), salicylic acid derivatives; salicylic acid (SA), acetyl salicylic acid (ASA) and methyl salicylate (MeSa), and oxalic acid (OA) to mainly solve the colour problems of these cultivars at harvest as well as their quality losses during postharvest storage, such as the chilling injury incidence and fungal decay in pomegranate fruit and table grape, respectively, increasing their shelf-life. Treatments were performed by foliar spray application of 1, 5 and 10 mM concentrations in 2016 for both crops, containing 0.5 % Tween 20 as surfactant. Control vines or pomegranate trees were sprayed with 0.5 % Tween 20 aqueous solution. In 2017 season, these concentrations were repeated for pomegranate crop and reduced to 0.01, 0.1 and 1 mM in the case of table grape, since in general, these treatments at 5 and 10 mM decreased vine yield and delayed on vineripening process, which could be hastened by lower doses. However, no negative effects caused by OA treatments at these concentrations on table grape crop yield or berry ripening process were observed. Thus, these doses were not reduced in the second season for this treatment. In 2018, the concentrations of treatments were selected for both crops based on these previous experiments carried out in 2016 and 2017 seasons, in which the best results in term of yield and fruit quality attributes were obtained. The results of this PhD Thesis have shown that MeJa preharvest treatments at 0.1 mM accelerated berry ripening, mainly colour evolution due to increased anthocyanin biosynthesis, leading to earlier harvest and increasing vine yield in both table grape cultivars. In addition, Berry quality parameters, such as size, weight, firmness, total soluble solids and bioactive compound content were also enhanced by this treatment, leading to berries with increased health beneficial effects. Respect to pomegranate crop, MeJa at 5 mM could be selected for practical application purposes in order to get earlier harvest and increase pomegranate crop yield, fruit quality, mainly colour development, and its content in phenolics, anthocyanins and ascorbic acid at harvest and during storage at 10 °C. Combined 5 mM MeJa treatments (Pre- + Postharvest) were also performed and results showed that Pre- + Postharvest MeJa treatments reduced external and internal CI symptoms in pomegranate husk, likely by better maintaining the cell membrane structure through enhancing the unsaturated fatty acids (UFA)/saturated fatty acids (SFA) ratio. However, preharvest MeJa treatment is recommended over Pre- + Postharvest application to increase pomegranate fruit storability during cold storage since no significant differences between both treatments were observed. On the other hand, it is worth noting the effects of preharvest treatments with salicylates at 10 mM, and especially SA, on increasing total and individual anthocyanin concentration in pomegranate arils which reached a deeper red colour and, in turn, would be more appreciated in the international market. In addition, SA at 10 mM improved pomegranate fruit quality and their content on antioxidant compounds at harvest and during storage at 10 °C. Contradictorily on table grape, considering the overall results, it could be concluded that 0.1 mM MeSa treatment could be a useful tool to increase crop yield and accelerate on-vine ripening process on both cultivars studied, which would lead to improve the economic profit of table grape crop. Furthermore, this treatment was the most effective on enhancing anthocyanin biosynthesis and berry colour in these poorly colored cultivars as well as inducing resistance to Botrytis cinérea spoilage, probably due to enhanced levels of phenolic compounds and activity of antioxidant enzymes. Finally, 10 mM OA treatment led to an early harvest of ‘Mollar de Elche’ cultivar since tree yield and number of fruits were higher at the first harvest date. This concentration of OA resulted in the greatest effects improving fruit quality parameters, beneficial health effects to consumers and sensory quality properties. Nevertheless, preharvest applications with OA at 5 mM improved the skin colour of table grapes at harvest by the up-regulation of Vitis vinifera 9-cisepoxycarotenoid dioxygenase 1 gene (VvNCED1) and abscisic acid (ABA) homeostasis during berry development and on-vine ripening. Additionally, OA delayed table grape postharvest ripening and senescence processes during storage, which was mainly mediated by the stimulation of enzymatic and non-enzymatic antioxidant systems, as well as by the reduction in the ABA metabolism. Therefore, it has been demonstrated that preharvest treatments with MeJa, salicylates and OA, applied at the best tested concentrations, could be considered a safe strategy, based on naturally occurring plant compounds, in preharvest to improve fruit quality attributes, mainly colour, at harvest and during storage of table grape and pomegranate fruit. Overall, a solution is provided to a regional problem. The results would help to the horticultural companies since they would provide fruits with higher quality standards at harvest and after their postharvest handling, storage and marketing

La granada y la uva de mesa son frutos con una elevada aceptación por parte de los consumidores debido a su calidad organoléptica y al contenido en compuestos tanto nutritivos como bioactivos relacionados con la salud humana. Sin embargo, las variedades de uva de mesa, 'Crimson' y 'Magenta', y la granada 'Mollar de Elche' presentan una importante escasez del color rojo intenso deseado en el momento de la recolección y algunas otras alteraciones que determinan sus pérdidas de calidad durante el almacenamiento postcosecha. La incidencia fúngica en la uva de mesa y en el caso de la granada su sensibilidad a desarrollar danos por frio (DF) cuando se almacenan a bajas temperaturas son factores claves los cuales comprometen el almacenamiento, transporte y comercialización del fruto. En los últimos años, se han realizado investigaciones encaminadas a encontrar tratamientos precosecha con compuestos naturales para incrementar la calidad de la fruta en el momento de la recolección y mantenerla durante el almacenamiento, debido a las preocupaciones de los consumidores y las restricciones legales sobre el uso de tratamientos químicos postcosecha. En este sentido, la aplicación de compuestos derivados de las plantas y de origen natural como tratamientos precosecha para retrasar la maduración y la senescencia, preservando la calidad de las frutas y hortalizas, ha recibido una atención considerable. Por tanto, el objetivo de esta Tesis Doctoral es dar solución a los problemas de calidad de la granada y la uva de mesa mediante tratamientos precosecha con jasmonato de metilo (JaMe), derivados del ácido salicílico; ácido salicílico (AS), ácido acetilsalicílico (AAS) y salicilato de metilo (SaMe), y ácido oxálico (AO) para solucionar principalmente los problemas de color de estas variedades en el momento de la recolección, así como sus pérdidas de calidad durante el almacenamiento postcosecha, como la incidencia de danos por frio y la incidencia fúngica en la granada y la uva de mesa, respectivamente, aumentando su vida útil. Los tratamientos se realizaron mediante pulverización foliar a las concentraciones de 1, 5 y 10 mM en 2016 para ambos cultivos, conteniendo un 0,5 % de Tween 20 como surfactante. Las parras o granados control fueron pulverizados con una solución acuosa de Tween 20 al 0,5 %. En la campana de 2017, estas concentraciones se repitieron para el cultivo de granada y se redujeron a 0,01, 0,1 y 1 mM en el caso de la uva de mesa, ya que en general estos tratamientos a 5 y 10 mM disminuyeron el rendimiento de la parra y retrasaron el proceso de maduración en la misma, el cual podría ser acelerado con dosis más bajas. Sin embargo, no se observaron efectos negativos causados por los tratamientos con AO a estas concentraciones sobre el rendimiento del cultivo de uva de mesa o el proceso de maduración de la baya. Por tanto, estas dosis no se redujeron en la segunda campaña para dicho tratamiento. En 2018, las concentraciones de los tratamientos fueron seleccionadas para ambos cultivos en base a estos experimentos previos realizados en las campanas de 2016 y 2017, en las cuales se obtuvieron los mejores resultados en términos de rendimiento y atributos de calidad de fruto. Los resultados de esta Tesis Doctoral han demostrado que los tratamientos precosecha de JaMe 0,1 mM aceleraron la maduración de la baya, principalmente la evolución del color debido al aumento de la biosíntesis de antocianinas, conduciendo a una cosecha más temprana e incrementando el rendimiento de la parra en ambas variedades de uva de mesa. Además, los parámetros de calidad de las bayas, como el tamaño, el peso, la firmeza, los sólidos solubles totales y el contenido de compuestos bioactivos, también se mejoraron con este tratamiento, lo que condujo a bayas con mayores efectos beneficiosos para la salud. Con respecto al cultivo de granada, JaMe 5 mM podría seleccionarse para fines de aplicación practica con el fin de obtener una recolección más temprana y aumentar el rendimiento del cultivo de granada, la calidad del fruto, principalmente el desarrollo del color, y su contenido en fenoles, antocianinas y ácido ascórbico en el momento de la recolección y durante el almacenamiento a 10 °C. Tratamientos combinados de JaMe 5 mM (Pre- + Postcosecha) fueron realizados y los resultados mostraron que los tratamientos Pre- + Postcosecha de JaMe redujeron los síntomas de DF externos e internos en la corteza de la granada, probablemente al mantener mejor la estructura de la membrana celular mediante la mejora del ratio de ácidos grasos insaturados (AGI)/ácidos grasos saturados (AGS). Sin embargo, el tratamiento precosecha de JaMe es recomendado sobre la aplicación Pre- + Postcosecha para incrementar la capacidad de almacenamiento de la granada durante el almacenamiento en frio, ya que no se observaron diferencias significativas entre ambos tratamientos. Por otro lado, cabe destacar los efectos de los tratamientos precosecha con salicilatos 10 mM, y especialmente AS, sobre el incremento de la concentración de antocianinas totales e individuales en los arilos de granada que alcanzan un color rojo más intenso y, a su vez, serian más apreciados en el mercado internacional. Además, el AS 10 mM mejoro la calidad de la granada y su contenido en compuestos antioxidantes en el momento de la recolección y durante el almacenamiento a 10 °C. Contradictoriamente en uva de mesa, considerando los resultados generales, se podría concluir que el tratamiento con SaMe 0,1 mM podría ser una herramienta útil para incrementar el rendimiento del cultivo y acelerar el proceso de maduración en la parra en ambas variedades estudiadas, lo que conduciría a mejorar el beneficio económico del cultivo de uva de mesa. Además, este tratamiento fue el más efectivo mejorando la biosíntesis de antocianinas y el color de la baya en estas variedades con escasez de color, así como induciendo resistencia al crecimiento de Botrytis cinerea, probablemente debido a niveles mejorados de compuestos fenólicos y de la actividad de los enzimas antioxidantes. Finalmente, el tratamiento de AO 10 mM condujo a una cosecha temprana de la variedad 'Mollar de Elche' ya que el rendimiento del árbol y el número de frutos fueron mayores en la primera fecha de recolección. Esta concentración de AO dio lugar a los mayores efectos mejorando los parámetros de calidad del fruto, los efectos beneficiosos para la salud de los consumidores y las propiedades de calidad sensorial. Sin embargo, las aplicaciones precosecha con AO 5 mM mejoraron el color de la piel de la uva de mesa en el momento de la recolección mediante la sobrerregulación del gen Vitis vinifera 9-cis-epoxycarotenoide dioxygenasa 1 (VvNCED1) y la homeostasis del ácido abscísico (ABA) durante el desarrollo de la baya y la maduración en la parra. Adicionalmente, el AO retraso los procesos de maduración y senescencia en postcosecha de la uva de mesa durante el almacenamiento, lo que estuvo mediado principalmente por la estimulación de los sistemas antioxidantes enzimáticos y no enzimáticos, así como por la reducción del metabolismo del ABA. Por lo tanto, se ha demostrado que los tratamientos precosecha con JaMe, salicilatos y AO, aplicados a las mejores concentraciones ensayadas, podrían ser considerados una estrategia segura, basada en compuestos derivados de las plantas con origen natural, en precosecha para mejorar los atributos de calidad del fruto, principalmente el color, en la recolección y durante el almacenamiento de la uva de mesa y la granada. En general, se aporta una solución a un problema regional. Los resultados ayudarían a las empresas hortícolas ya que proporcionarían frutos con estándares de calidad más elevados en el momento de la recolección y tras su manejo postcosecha, almacenamiento y comercialización