Respuesta antioxidante y hormonal al estrés por alta radiación solar en frutos de manzana

Abstract

La manzana es la fruta que ocupa el cuarto lugar en volumen consumido anualmente en el mundo. Desde hace décadas, la producción y consumo de manzanas se han incrementado, en respuesta a una mayor demanda, que a su vez aumenta continuamente los estándares de calidad. La interacción medio ambiente-metabolismo es determinante de la composición, anatomía, morfología y desarrollo de los tejidos del fruto. Por lo tanto, el rendimiento y la calidad están influenciados por el clima imperante en la región donde se desarrolla el cultivo. En la mayoría de las zonas productoras de manzanas del mundo (entre ellas los valles del norte de la Patagonia) se registran elevada radiación solar y temperatura. La tensión que generan estos factores ambientales sobre el metabolismo de los tejidos del fruto induce un desorden fisiológico de tipo oxidativo denominado ‘daño por sol’. Esta fisiopatía se produce en la cara de los frutos expuesta al sol y es considerada uno de los problemas más importante en huertos de manzano, llegando a alcanzar incidencias superiores al 40% de la producción dependiendo de la región y variedad evaluada. Debido al impacto del estrés generado por la elevada radiación solar y temperatura en la productividad del cultivo de manzanas, se propuso esta temática. El objetivo fue estudiar la respuesta antioxidante, el desarrollo de pigmentos y cambios hormonales, que presentan los frutos de variedades de manzana con diferente susceptibilidad al daño por sol, cultivadas bajo estrés por alta radiación solar. Los parámetros ambientales estudiados fueron radiación solar y temperatura. La temperatura se midió con diferentes tipos de sensores según el grado de precisión necesario (termómetros de mercurio, termómetro de infrarrojos láser y termocúplas tipo T). Los datos de radiación global se obtuvieron a través de la Red Agrometeorológica INTA Alto Valle y la radiación fotosintéticamente activa se midió con un ceptómetro. El impacto de los factores de estrés fue determinado sobre los frutos de cuatro variedades de manzanas (Malus domestica Borkh) rojas y dos verdes-amarillas, mediante técnicas bioquímicas (espectrofotometría, espectrometría de masa, HPLC, y cromatografía de gases), fisiológicas (conductimetría, fluorescencia de la clorofila, analizadores de gas infrarrojos, refractometría óptica, colorimetría) y mediciones de variables vegetativas y de calidad de frutos. Los resultados indicaron que los tejidos de manzanas que están sometidos a estrés por elevada radiación y temperatura generaron síntomas de daño por sol, lo que afectó al 22% de los frutos la var. Red Delicious y al 34% en el caso de Granny Smith. El estrés generado en los tejidos expuestos al sol produjo disminución del contenido relativo de agua y reducción de los procesos de disipación de energía. Este último aspecto quedó evidenciado por disminución de la eficiencia cuántica máxima del fotosistema II y degradación de clorofilas. En las variedades rojas también se registró disminución en la concentración de antocianinas, las cuales actúan como filtro natural de la radiación solar. Por otra parte, se registró aumento del estrés oxidativo evidenciado por un incremento significativo (p≤ 0,05) de peróxidos lipídicos de membranas celulares. En respuesta a la pérdida de homeostasis, los tejidos expuestos aumentaron la capacidad antioxidante, coincidiendo con una mayor concentración de polifenoles totales. En cuanto a la actividad de las enzimas antioxidantes, superóxido dismutasa (SOD) y glutatión reductasa (GR) incrementó en todas las variedades. La actividad de ascorbato peroxidasa (APX) solamente aumento en las variedades rojas y se mantuvo constante en las verdes-amarillas. La respuesta de síntesis de hormonas frente a la exposición a elevada radiación solar fue diferente según la variedad estudiada. En las variedades rojas se registró un aumento significativo de poliaminas y etileno, mientras que no se observaron cambios en el contenido de ácido abscísico (ABA). Inversamente, las variedades verdes-amarillas reaccionaron incrementando el contenido de ABA, sin modificar la concentración de poliaminas ni la emisión de etileno. Mediante el análisis de componentes principales se seleccionaron estadísticamente las variables más explicativas de la respuesta de los tejidos al estrés por elevada radiación y temperatura. Estas variables fueron introducirlas en un análisis de conglomerados el que determinó que las variedades de manzanas rojas presentaron mayor capacidad de adaptación a la alta intensidad solar y temperatura. Esta característica se asoció a una mayor capacidad de sintetizar sustancias antioxidantes como polifenoles y antocianinas, presentar mayor actividad de las enzimas SOD y GR y a un incremento en la concentración de hormonas involucradas en los mecanismos para reducir el estrés. La respuesta de los tejidos a los factores estresantes fue diferente cuando los mismos actuaron paulatinamente a lo largo del desarrollo de los frutos, o de modo repentino en condiciones simuladas experimentalmente. Mientras que en el primer caso el fotosistema II permaneció activo, en el segundo caso la exposición brusca provocó una pérdida total de la integridad a los 50 minutos de tratamiento. En ese mismo lapso de tiempo, se observó la desactivación de la enzima catalasa. El estrés repentino redujo la actividad de GR, afectando la eliminación del peróxido de hidrógeno catalizado por APX en el ciclo ascorbato-glutatión. La concentración de poliaminas aumentó rápidamente frente a la imposición de estrés, pero no se observaron cambios significativos en los niveles de ABA y etileno en los 170 min que duró el estudio. Se determinó que la aplicación exógena de ABA pre-cosecha no redujo la incidencia de daño por sol, pero atenuó el daño oxidativo y aumentó la síntesis de antocianinas en las manzanas Red Delicious. Esto es un factor de aumento de calidad de frutos dado que la variedad Red Delicious tiene piel roja. No obstante, la aplicación de ABA disminuyó la fotosíntesis afectando el área foliar específica de los árboles. Los resultados obtenidos sugieren que sería relevante continuar investigando la interacción metabólico-ambiental y la regulación hormonal en procesos oxidativos generados por estrés por elevada radiación solar. Esto contribuiría a incrementar el conocimiento necesario para lograr herramientas de aplicación agronómica que permitan mitigar el daño por sol en frutos.

Apples are currently the fourth most widely consumed fruit in the world. Over time, apple production has been increasing in response to higher demand, driving in turn a steady increase in quality standards. The environment-metabolism interaction determines fruit composition, anatomy, morphology and tissue development. Therefore, yield and quality are influenced by the prevailing climate in the region where the crop is grown. Most apple-growing areas of the world (including the northern valleys of Patagonia) experience high solar radiation and temperature. The stress generated by these environmental factors on the metabolism of fruit tissues induces an oxidative physiological disorder called 'sunburn'. This physiopathology occurs on the side of the fruit exposed to the sun and is considered one of the most important problems in apple orchards, reaching an incidence upwards of 40%, depending on the region and variety evaluated. Given the considerable impact of high solar radiation and temperature on apple crop productivity, the objective of this thesis was to study the antioxidant response, pigment development, and hormonal changes in the fruit of apple varieties with different susceptibility to sunburn damage, grown under high solar radiation stress. The environmental parameters studied were solar radiation and temperature. Temperature was measured with different types of sensors (mercury or laser infrared thermometers, type T thermocouples) according to the degree of precision required. Global radiation data were obtained through the Agrometeorological Network INTA Alto Valle and photosynthetically active radiation was measured with a ceptometer. The impact of stress factors was determined on the fruit of four red and two green-yellow apple varieties (Malus domestica Borkh) using biochemical (spectrophotometry, mass spectrometry, HPLC, gas chromatography) and physiological (conductimetry, chlorophyll fluorescence, infrared gas analysis, optical refractometry, colorimetry.) techniques, and through measurements of vegetative variables and fruit quality. The studies carried out indicated that apple tissues subjected to high radiation and temperature stress generated symptoms of sunburn damage, which affected 22% of Red Delicious and 34% of Granny Smith fruit. The stress generated in the tissues exposed to the sun produced a decrease in relative water content and a reduction in energy dissipation processes, as evidenced by a decrease in the maximum quantum efficiency of photosystem II and chlorophyll degradation. The red varieties also showed a decrease in the concentration of anthocyanins, which are antioxidant substances that act as pigments and natural filter of solar radiation. These conditions triggered oxidative stress in the fruit, with a significant increase in cell membrane lipid peroxidation. In response to the loss of homeostasis, the exposed tissues enhanced their antioxidant capacity, as reflected by increased total polyphenol concentrations. The analysis of antioxidant enzymes showed that the activities of superoxide dismutase (SOD) and glutathione reductase (GR) were increased in all fruit varieties, while that of ascorbate peroxidase (APX) was increased only in the red, but remained constant in the green-yellow, varieties. Fruit hormone synthesis responses to high solar radiation exposure differed according to the variety studied. Red varieties showed a significant increase in polyamines and ethylene, but no changes in abscisic acid (ABA) levels. Conversely, the green-yellow varieties reacted by increasing ABA contents, with polyamine concentration and ethylene emission remaining unaffected. After statistical selection of the most explanatory variables of tissue response to high radiation and temperature stress, cluster analysis determined that red apple varieties showed a greater capacity to adapt to high solar intensity and temperature. This characteristic was associated with a greater capacity to synthesize antioxidant substances such as polyphenols and anthocyanins, higher antioxidant activity of both SOD and GR, and increased potential for synthesis of hormones involved in stress resistance mechanisms. In apple tissue response to stressors were different, depending on whether these acted gradually throughout fruit development or were suddenly imposed experimentally. In the first case, photosystem II remained active; in the second, sudden stress exposure caused total loss of integrity after 50 minutes of treatment. Within this time frame, catalase (CAT) enzyme deactivation was observed. Sudden stress reduced also GR activity, affecting APX-catalyzed hydrogen peroxide removal through the ascorbate-glutathione cycle. The concentration of polyamines increased rapidly under sudden stress conditions, but no significant changes in ABA and ethylene levels were observed over the 170 min duration of the study. Finally, we observed that pre-harvest ABA application did not reduce sunburn incidence, but it attenuated oxidative damage and increased anthocyanin synthesis in Red Delicious apples, a quality-enhancing factor in this red-skin variety. However, ABA application also led to decreased photosynthesis, affecting the specific leaf area of the trees. The results obtained in this thesis suggest that it would be relevant to continue investigating the impact of metabolic-environmental interactions and hormonal regulation on oxidative processes generated by high solar radiation stress, with the goal of designing more effective approaches to mitigate sun damage in fruits.