Respuestas fisiológicas y metabólicas a la aplicación foliar de aminoácidos en plantas de tomate

Abstract

El tomate (Solanum lycopersicum L.) es uno de los alimentos vegetales más consumidos a nivel mundial por sus propiedades nutricionales y antioxidantes. Su cultivo tiene una gran repercusión a nivel social y económico. En los últimos años se ha producido una disminución de la producción y la calidad de la cosecha debido a los efectos adversos del cambio climático, y a la incidencia de plagas y enfermedades. Por lo tanto, la agricultura se enfrente al reto de tener que incrementar la producción en un ambiente de cambio climático, con el objetivo añadido de emplear técnicas sostenibles que repercutan lo menos posible en el medio ambiente. A día de hoy, se están diseñando y evaluando nuevas estrategias agronómicas como alternativa a las prácticas convencionales, como puede ser la utilización de productos bioestimulantes. Concretamente, el uso de estos productos tiene un papel fundamental en la mejora del rendimiento de los cultivos al incidir de forma beneficiosa en las plantas. Muchos de estos productos están formulados a base de aminoácidos, y, aunque no hay ninguna duda de los efectos positivos que tiene la aplicación de productos ricos en aminoácidos, se sabe muy poco sobre el papel que juegan cada uno de los aminoácidos en los procesos fisiológicos y metabólicos de las plantas. Bajo este contexto, el objetivo global de esta tesis ha consistido en conocer el papel que juegan los aminoácidos en las plantas de tomate y como se podrían aplicar estos compuestos con la finalidad de mejorar la producción y calidad del cultivo. Para ello, se han llevado a cabo cuatro experimentos independientes y cada uno de ellos corresponde con un capítulo de la tesis.En el primer experimento se ensayó el comportamiento agronómico de 10 variedades de tomate para seleccionar aquellas cuatro que tuvieran las características agronómicas más diferentes entre sí. De estas diez, se eligieron ‘Cherry’, ‘Green Zebra’, ‘Montserrat’ y ‘Tres Cantos’ y se hizo un estudio ionómico, metabólico y hormonal con el fin de determinar los nutrientes y metabolitos que predomina en los estados fenológicos y relacionar las características agronómicas con estos compuestos. Por su parte, en el segundo experimento se evaluó en plántulas de tomate cultivadas en maceta el efecto que tiene la aplicación foliar de los aminoácidos ácido aspártico (Asp), ácido glutámico (Glu), alanina (Ala) y las mezclas Asp+Glu y Asp+Glu+Ala en las respuestas fisiológicas, morfológicas y nutricionales en dichas plantas. De igual forma, el tercer ensayo fue similar al segundo, con la diferencia de que este experimento se realizó para conocer los efectos de la aplicación foliar de tirosina (Tyr), lisina (Lys), metionina (Met) y su mezcla (Tyr+Lys+Met) en plántulas de tomate. Por último, en el cuarto experimento consistió en estudiar la tolerancia a la salinidad de plantas de tomate cultivadas en hidropónico a las que se les aplicó foliarmente los aminoácidos metionina (Met), arginina (Arg), prolina (Pro), ácido glutámico (Glu), triptófano (Trp) y las mezclas Met+Arg, Met+Trp y Glu+Pro. De todos estos experimentos las conclusiones más relevantes fueron las que se muestran a continuación: Primer ensayo: de las diez variedades estudiadas agronómicamente, ‘Cherry’, ‘Green Zebra ‘, ‘Montserrat’ y ‘Tres Cantos’ fueron seleccionadas para un estudio ionómico, metabólico y hormonal para determinar los nutrientes y metabolitos predominantes en las diferentes fases fenológicas, y relacionarlos con sus características agronómicas. Se observó que la variabilidad de los resultados podría explicarse principalmente por las diferentes fases fenológicas durante el desarrollo del cultivo, más que por la variedad. Los compuestos principales fueron N (4,71 g 100 g-1 ps), K (3,86 g 100 g-1 ps), P (0,53 mg g-1 ps), glutamato (5,21 mg g-1 ps), glutamina (2,89 mg g-1 ps), aspartato (1,54 mg g-1 ps), tirosina (2,36 mg g-1 ps), fenilalanina (1,70 mg g-1 ps), sacarosa (14,4 mg g-1 ps), malato (13,2 mg g-1 ps) e isopenteniladenina (iP) (2,65 ng g-1 ps). Estos compuestos variaron según el estado fenológico y mediante el análisis estadístico, no se encontró ninguna correlación entre estos compuestos y las características agronómicas. Pero, se puede concluir, para cada fase fenológica que compuestos podrían formar parte de los productos bioestimulantes para suministrar a los cultivos aquellos que más necesitan. Segundo ensayo: en este experimento se concluyó que la aplicación foliar de aminoácidos puede tener un efecto beneficioso en el desarrollo vegetativo de las plantas de tomate. Concretamente, en este experimento la aplicación foliar combinada de Asp+Glu tuvo mejores resultados que cuando eran aplicados de forma individual. Por su parte, cuando la Ala era aplicada con una dosis de 15 mM resultó tóxica y esta acción no fue revertida cuando se aplicaron simultáneamente Asp+Glu+Ala. Finalmente destacar que todos los aminoácidos produjeron cambios en el perfil ionómico, fisiológico y metabolómico de las plantas Tercer ensayo: en este experimento se puso de manifiesto que la aplicación foliar de Tyr, Lys y Met a una concentración de 15 mM tuvo efectos beneficiosos en las plantas de tomate, ya que se produjo un incremento del desarrollo vegetativo en relación a las plantas control. Estos tratamientos estimularon la ACO2 e incrementaron el uso eficaz de los nutrientes de manera que a pesar de que durante el experimento se observó que en las plantas tratadas con aminoácidos se redujo la concentración mineral, esto no tuvo limitaciones en los procesos fisiológicos. Se concluyó que la aplicación de estos AAs pueda llegar a ser útil en el cultivo de plantas hortícolas como el tomate. Cuarto ensayo: los resultados en este experimento mostraron que la salinidad disminuyó el crecimiento de las plantas, pero aquellas tratadas con Met, Pro+Glu y Met+Trp invirtieron el efecto negativo causado por este estrés. Esto no se debió a diferencias en la concentración de Cl- o Na acumuladas en las hojas o a cambios en el estado hídrico de las plantas, sino a una mayor acumulación de azúcares solubles totales, lo que podrían haber actuado como compuestos antioxidantes desactivando las especies reactivas de oxígeno causadas por la toxicidad de estos iones. En los resultados de este experimento también destacan el haber conocido los efectos antagónicos o sinérgicos que se dan entre los AAs, conocimiento que se debe tener en cuenta a la hora de formular productos bioestimulantes

Tomato (Solanum lycopersicum L.) is one of the most consumed vegetables worldwide due to its great nutritional and antioxidant properties. Its cultivation has a great impact on a social and economic level. In recent years there has been a decrease in production and harvest quality due to the adverse effects of climate change, and the incidence of pests and diseases. Therefore, agriculture faces the challenge of having to increase production in a climate change environment, with the added objective of using sustainable techniques that have the least possible impact on the environment. At the present time, new agronomic strategies are being designed and evaluated as an alternative to conventional practices, such as the use of biostimulant products. Specifically, the use of these products plays a fundamental role in improving crop yield by having a beneficial effect on plants. Many of these products are formulated with amino acids, and although there is no doubt about the positive effects of the application of products rich in amino acids, little is known about the role that each amino acid plays in physiological and metabolic processes of plants. Under this context, the overall objective of this thesis has consisted of knowing the role played by amino acids in tomato plants and how these compounds could be applied in order to improve the production and quality of the crop. For this, four independent experiments have been carried out and each of them corresponds to a chapter of the thesis. In the first experiment, the agronomic performance of 10 tomato varieties were tested in order to select those four that had the most different agronomic characteristics. Of these ten, ‘Cherry’, ‘Green Zebra’, ‘Montserrat’ and ‘Tres Cantos’ were chosen and an ionomic, metabolic and hormonal study was conducted with the purpose of determining the nutrients and metabolites that predominate in the phenological states and relate the agronomic characteristics with these compounds. For its part, in the second experiment, in pot-grown tomato seedlings it was evaluated the effect of foliar application of the following amino acids: aspartic acid (Asp), glutamic acid (Glu), alanine (Ala) and the mixtures Asp+Glu and Asp+Glu+Ala, in the physiological, morphological and nutritional responses in these plants. The third experiment was similar to the second, with the difference that this experiment was conducted to know the effects of foliar application of tyrosine (Tyr), lysine (Lys), methionine (Met) and their mixture (Tyr+Lys+Met) in tomato seedlings Finally, the fourth experiment consisted of studying the tolerance to salinity of tomato plants grown in hydroponics with foliar application of the amino acids: methionine (Met), arginine (Arg), proline (Pro), glutamic acid (Glu), tryptophan (Trp) and the Met+Arg, Met+Trp and Glu+Pro mixtures. Of all these experiments, the most relevant conclusions were those shown below: First test: of the ten varieties studied agronomically, ‘Cherry’, ‘Green Zebra’, ‘Montserrat’ and ‘Tres Cantos’ were selected for an ionomic, metabolic and hormonal study to determine the predominant nutrients and metabolites in the different phenological phases and relate them to their agronomic characteristics. It was observed that the variability of the results could be explained mainly by the different phenological phases during the development of the crop, rather than by the variety. The main compounds were N (4.71 g 100 g-1 dw), K (3.86 g 100 g-1 dw), P (0.53 mg g-1 dw), glutamate (5.21 mg g-1 dw), glutamine (2.89 mg g-1 dw), aspartate (1.54 mg g-1 dw), tyrosine (2.36 mg g-1 dw), phenylalanine (1.70 mg g-1 dw), sucrose (14.4 mg g-1 dw), malate (13.2 mg g-1 dw) and isopentenyladenine (iP) (2.65 ng g-1 dw). These compounds varied according to the phenological state, and, through statistical analysis, no correlation was found between these compounds and the agronomic characteristics. But, it can be concluded, for each phenological phase, which compounds could be part of the biostimulant products to supply the crops with those they need most. Second test: in this experiment it was concluded that the foliar application of amino acids can have a beneficial effect on the vegetative development of tomato plants. Specifically, in this experiment the combined foliar application of Asp+Glu had better results than when they were applied individually. On the other hand, when Ala was applied with a dose of 15 mM it was toxic and this action was not reversed when Asp+Glu+Ala were applied simultaneously. Finally, it should be noted that all amino acids produced changes in the ionomic, physiological and metabolomic profile of the plants. Third test: in this experiment it was revealed that the foliar application of Tyr, Lys and Met at a concentration of 15 mM had beneficial effects on tomato plants, since there was an increase in vegetative development in relation to the control plants. These treatments stimulated ACO2 and increased the effective use of nutrients so, despite the fact that during the experiment it was observed that plants treated with amino acids the mineral concentration was reduced, this did not have limitations in the physiological processes. It was concluded that the application of these AAs could become useful in the cultivation of horticultural plants, such as tomatoes. • Fourth test: the results in this experiment showed that salinity decreased the growth of the plants, but those treated with Met, Pro+Glu and Met+Trp reversed the negative effect caused by this stress. This was not due to differences in the concentration of Cl- or Na accumulated in the leaves or to changes in the water state of the plants, but to a greater accumulation of total soluble sugars, which could have acted as antioxidant compounds deactivating the reactive species of oxygen caused by the toxicity of these ions. The results of this experiment also highlight having known the antagonistic or synergistic effects that occur between AAs, knowledge that must be taken into consideration when formulating biostimulant products