Efecto del tratamiento precosecha y poscosecha con melatonina sobre la calidad de frutas y hortalizas

Abstract

La aplicación de sustancias protectoras o conservadoras de origen artificial con el objetivo de mejorar las producciones o la calidad del fruto en la cosecha, así como durante la posterior poscosecha, genera preocupación en la población. Su potencial tóxico residual, impacto sobre la salud y la contaminación medioambiental fomenta el creciente interés tanto de los consumidores como de productores e investigadores por los alimentos conservados a partir de tecnologías que empleen sustancias de origen natural. Las sustancias bioactivas procedentes del metabolismo de las plantas son capaces de estimular diferentes rutas bioquímicas y diferentes aspectos de la fisiología de la planta. De hecho, es muy difícil determinar la función exacta de cada una de estas sustancias naturales ya que son sustancias que participan en múltiples y variadas actividades metabólicas. La melatonina es una de estas sustancias capaces de generar una respuesta en los tejidos vegetales tanto en la germinación, desarrollo y senescencia de los mismos. En esta Tesis Doctoral se ha realizado un estudio de las posibilidades de la melatonina de aportar soluciones como estrategia precosecha y poscosecha en diferentes productos vegetales de elevado interés por parte de los consumidores. Las granadas ‘Mollar de Elche’ y los albaricoques mikado y colorado incrementan su coloración externa a lo largo de su desarrollo en el árbol, la cual es muy apreciada en estos frutos, aunque en estas especies vegetales la coloración rojiza es escasa. Por otro lado, las producciones de estas distintas especies sufren mermas importantes debido a factores bióticos pero también al cambio climático que recrudece la acción de los factores abióticos. Además, estos frutos durante la poscosecha pierden sus atributos de calidad principalmente debido a pérdidas de peso y de firmeza, cambios en la acidez y de color entre otros. Para retrasar la pérdida de calidad se suelen almacenar en condiciones de refrigeración lo cual puede generar daños por el frío. En este sentido, encontramos una situación similar en otras especies como la piña, el calabacín o las chirimoyas. Estos productos vegetales desarrollan fisiopatías relacionadas con la exposición a las bajas temperaturas durante tiempos prolongados, además de perder atributos de calidad rápidamente durante el almacenamiento. Por tanto, el objetivo de esta Tesis Doctoral ha sido evaluar la acción de la aplicación de melatonina en precosecha y poscosecha sobre estos problemas, tanto en el momento de la cosecha como durante el posterior almacenamiento poscosecha. Los tratamientos precosecha con melatonina se realizaron mediante pulverización foliar con distintas concentraciones entre 0.1 y 1 mM en dos ciclos productivos consecutivos tanto en las granadas (2017-2018) como en las diferentes variedades de albaricoque estudiadas (2019-2020). Los tratamientos poscosecha se realizaron mediante inmersión en soluciones de melatonina con bajas concentraciones a las que se sometió a los frutos durante distintos iempos de inmersión. Este primer experimento se realizó sobre todas las especies vegetales de esta Tesis Doctoral de forma que, tras un primer experimento con piñas (0,1 y 0.5 mM), chirimoyas (0,1, 0,3, 0,5 y 1 mM) y calabacines (0,1, 0,5 y 1 mM) sumergidos a distintos tiempos de inmersión, se aplicaron de nuevo en un segundo experimento usando la combinación óptima entre estos dos parámetros (concentración/tiempo de inmersión). En el caso de los calabacines, las condiciones óptimas se combinaron además con 2400 ppb de 1-MCP. Las aplicaciones precosecha con melatonina incrementaron las producciones de granada y albaricoque. Las granadas tratadas con melatonina incrementaron tanto el volumen como el número de frutos en ambos ciclos productivos. Sin embargo, el incremento de la producción en los albaricoques de ambas variedades se relacionó únicamente con el incremento del peso de los frutos sin afectar al número de frutos. Además, los tratamientos precosecha consiguieron retrasar la maduración tanto de granadas como de albaricoques lo cual fue determinado al evaluar los distintos parámetros de calidad (firmeza, color, contenido en sólidos solubles y acidez) en ambas especies. Así, en el momento de la cosecha pudimos comprobar la efectividad de la melatonina retrasando tanto la maduración del fruto en el árbol como el deterioro durante la conservación poscosecha de granadas y albaricoques atendiendo a diversos parámetros de calidad estudiados. De hecho, durante el almacenamiento refrigerado, los frutos tratados con melatonina mostraron una menor respiración, pérdida de firmeza, y una mayor acidez en general tanto en la recolección como durante su posterior almacenamiento. Además, los tratamientos precosecha con melatonina fueron efectivos incrementando el color rojo de los frutos en granadas y albaricoques almacenados a 10 y 1 ºC respectivamente. Las granadas no sufrieron daños por frío a 10 ºC pero los albaricoques sí mostraron esta fisiopatía al estar almacenados a temperaturas subóptimas. En este sentido, las aplicaciones precosecha con melatonina fueron exitosas a la hora de reducir el impacto de los daños por frío, lo que estuvo en consonancia con la mayor integridad de los tejidos en los frutos tratados con melatonina. En esta Tesis Doctoral, los tratamientos poscosecha realizados con melatonina retrasaron la maduración y senescencia de los productos vegetales climatéricos (chirimoya) y no climatéricos (piña y calabacín) estudiados en esta Tesis. Las aplicaciones con melatonina en poscosecha retrasaron las pérdidas de peso en chirimoyas y calabacines. En todos los productos vegetales estudiados fueran climatéricos o no, los tratamientos con melatonina mantuvieron los valores de firmeza de los frutos. Este mantenimiento de la calidad en los frutos pudo estar asociada a una menor respiración en los frutos no climatéricos tratados con melatonina y a una menor producción de etileno en las chirimoyas. Estos y otros resultados confirmaron el retraso en la maduración de todos los lotes tratados con melatonina en poscosecha. Este retraso en la evolución de la maduración estuvo acompañado en el caso de las chirimoyas también por la evolución de la actividad antioxidante y el contenido en polifenoles que mostró un patrón similar. Este retraso también se observó en chirimoyas y calabacines tratados con melatonina con respecto a la degradación de las clorofilas. En esta Tesis Doctoral estos efectos se han relacionado con un menor estrés oxidativo y balance energético dado los menores niveles de MDA y de fuga de electrolitos que se encontraron en las especies vegetales evaluadas. Todas ellas tras el tratamiento con melatonina en poscosecha, mostraron una importante reducción de los daños por frío que pudo estar directamente relacionado con la menor pérdida de agua de los frutos y por tanto mayor firmeza e integridad de los tejidos. Además, se determinó que el menor metabolismo celular observado en los lotes tratados con melatonina fue un factor muy importante en la reducción de los daños por frío en todas estas especies vegetales estudiadas. Pese a que la melatonina por sí sola es capaz de retrasar la pérdida de calidad en los frutos tratados tras la cosecha, en esta Tesis se ha demostrado por primera vez las buenas perspectivas que ofrece la combinación de sustancias comerciales de origen artificial como el 1-metilciclopropeno utilizadas comercialmente en la actualidad con sustancias de origen natural como la melatonina. La combinación de tratamientos mostró un efecto sinérgico en el retraso en la senescencia de los calabacines. De hecho, los tratamientos aplicados por separado no obtuvieron mejores resultados que los observados cuando ambas tecnologías se aplicaron de forma conjunta. Este efecto fue especialmente importante sobre los daños por frío ya que el tratamiento combinado redujo de forma muy eficiente esta fisiopatía durante la conservación refrigerada. Por tanto, concluimos que las aplicaciones precosecha y poscosecha con melatonina realizadas en esta Tesis Doctoral han demostrado ser una estrategia eficaz para incrementar las producciones, retrasar la maduración y la senescencia de las especies vegetales evaluadas, prolongando así la vida útil y manteniendo la calidad de las frutas y hortalizas estudiadas. Además, la melatonina es un compuesto natural que se ha descrito como seguro para el consumo humano, por lo que podría ser una alternativa adecuada a los productos químicos sintéticos o en la reducción de la concentración aplicada de los mismos

The application of preservative substances of artificial origin with the aim of improving yields or fruit quality at harvest, as well as during the subsequent postharvest management, generates concern among the population. Their residual toxic potential, impact on health and environmental contamination has led to the growing interest of consumers, producers and researchers in food science with using substances of natural origin as an emerging technology. Bioactive compounds from plant metabolism are able to stimulate different biochemical pathways and different aspects of plant physiology. In fact, it is very difficult to determine the exact function of each of these compounds as they are substances involved in multiple and different metabolic activities. Melatonin is one of these substances capable of generating a response in plant tissues during germination, development and senescence. In this PhD Thesis, the possibilities of melatonin to provide solutions as a pre-harvest and post-harvest strategy in different vegetable products of high consumer interest has been carried out. Pomegranates 'Mollar de Elche' and apricots ‘Mikado’ and ‘Colorado’ increase their external coloration along their development on trees which is very appreciated in these fruits, although in these species the reddish coloration is scarce. On the other hand, the production of these different fruits suffers significant losses due to biotic factors but also to climate change, which intensifies the action of abiotic factors. In addition, these fruits lose their quality attributes during postharvest storage mainly due to weight and firmness losses, changes in acidity and color, among others. To delay quality losses, these species are usually stored under cold storage, which can cause chilling injury In this sense, we found a similar situation in other studied species in this PhD Thesis such as pineapple, zucchini or Cherimoya. These products develop physiological disorders related to its exposure to suboptimal temperatures for long periods of time, especially after fruits are tempered at warmer temperatures. Therefore, the objective of this PhD Thesis has been to evaluate the action of pre-harvest and post-harvest melatonin application on these problems both at the time of harvest and during the subsequent post-harvest storage. Pre-harvest treatments with melatonin were performed by foliar spraying with different concentrations between 0.1 and 1 mM in two consecutive growing seasons on both, pomegranates (2017-2018) and the different apricot cultivars studied (2019-2020). Postharvest treatments were carried out by immersion in melatonin solutions with low concentrations during different immersion times. This first experiment was carried out on all the plant species of this Doctoral Thesis so that after a first experiment with pineapples (0.1 and 0.5 mM), cherimoya (0.1, 0.3, 0.5 and 1 mM) and zucchini (0.1, 0.5 and 1 mM) immersed at different immersion times, the optimal combination between these two parameters (concentration/immersion time) was applied again in a second experiment. In the case of zucchini, the optimum conditions were also combined with 2400 ppb of 1-MCP. Pre-harvest applications of melatonin increased pomegranate and apricot yield. Pomegranates treated with melatonin increased both fruit volume and number of fruits in two growing seasons. However, the increase in yield in both apricot cultivars was related only to the increase in fruit weight without affecting the number of fruits. In addition, the pre-harvest treatments were able to delay pomegranate and apricot ripening, which was determined by evaluating the different quality parameters (firmness, color, soluble solids content and acidity) in both species. Thus, at harvest time, we were able to evaluate melatonin effectiveness in delaying both, fruit ripening on tree and senescence during postharvest storage of pomegranates and apricots according to various quality parameters studied. In fact, during cold storage, melatonin-treated fruits showed lower respiration, loss of firmness, and higher overall acidity both at harvest and during subsequent storage. In addition, pre-harvest melatonin treatments were effective in increasing fruit red color in pomegranates and apricots stored at 10 and 1 ºC, respectively. Pomegranates did not suffer chilling injury at 10 ºC but apricots did show this disorder when stored at suboptimal temperatures. In this regard, pre-harvest melatonin applications were successful in reducing the impact of chilling injury, which was consistent with higher tissue integrity in melatonin-treated fruit. In this PhD Thesis, postharvest treatments with melatonin delayed ripening and senescence of climacteric (cherimoya) and non-climacteric (pineapple and zucchini) species studied in this Thesis. Postharvest melatonin applications delayed weight losses in cherimoya and zucchini. In all species studied, whether climacteric or not, melatonin treatments maintained fruit firmness values. This maintenance of fruit quality could be associated with lower respiration in non-climacteric fruits and vegetables treated with melatonin and lower ethylene production in cherimoyas. These and other results confirmed the delay in ripening of all melatonin-treated lots during postharvest storage. This delay in ripening evolution was accompanied in the case of cherimoyas also by the evolution of antioxidant activity and polyphenol content which showed a similar pattern. This delay was also observed in melatonin-treated cherimoya and zucchini with respect to chlorophyll degradation. In this PhD Thesis these effects have been related to a lower oxidative stress and energy balance given the lower levels of MDA and electrolyte leakage found in the plant species evaluated. All the species studies after post-harvest treatments with melatonin, showed a significant reduction in chilling injury, which could be directly related to the lower fruit water loss and therefore greater firmness and tissue integrity. In addition, it was determined that the lower cellular metabolism observed in the melatonin-treated lots was a very important factor in the reduction of chilling injury in all the plant species studied. Although melatonin by itself is capable of delaying quality loss in treated fruit after harvest, this PhD Thesis has demonstrated for the first time the good expectations offered by the combination of commercial substances of artificial origin such as 1-methylcyclopropene currently used commercially, with substances of natural origin such as melatonin. The combination of treatments showed a synergistic effect in delaying senescence of zucchini. In fact, the treatments applied separately did not obtain better results than those observed when both technologies were applied together. This effect was especially important on chilling injury since the combined treatment reduced this parameter very efficiently during refrigerated storage. Therefore, we conclude that melatonin pre-harvest and post-harvest applications carried out in this PhD Thesis have proven to be an effective strategy to increase yield, delay ripening and senescence of the plant species evaluated, thus prolonging the shelf life and maintaining the quality of the fruits and vegetables studied. In addition, melatonin is a natural compound that has been described as safe for human consumption, so it could be a suitable alternative to synthetic chemicals or in reducing the concentration of these chemicals commercially applied