Metabolitos secundarios: La táctica anti-estrés de las plantas y su uso potencial en agricultura sustentable

Tema y enfoque: Se aborda cómo las plantas enfrentan el estrés a través de la síntesis de metabolitos secundarios y explora su aplicación en la agricultura como plaguicidas botánicos y bioestimulantes, resaltando la importancia de la investigación y la explotación de estos compuestos en diversas áreas.

Introducción

En nuestra vida cotidiana, es común escuchar o incluso decir que estamos o nos sentimos estresados, ya sea por cuestiones laborales, familiares, de salud, entre otros. Pero ¿sabías qué las plantas también se estresan?

Las plantas son en su gran mayoría organismos sésiles, lo que significa que no tienen la capacidad de moverse de sitio. Debido a esta característica, a lo largo de su desarrollo, se ven constantemente expuestas a condiciones estresantes, ya sean de origen bióticas (herbívoros y/o enfermedades) o abióticas (heladas, inundaciones, sequías, calor, suelos salinos, baja disponibilidad de nutrientes). Estas condiciones estresantes, pueden limitar su productividad, el éxito reproductivo y su desarrollo en los ecosistemas. Entonces, ¿cómo logran las plantas enfrentar y superar el estrés? 

Las plantas han desarrollado diversos mecanismos que les permiten hacer frente, adaptarse y sobrevivir a las condiciones de estrés; una de estas estratégias es la síntesis de metabolitos secundarios (MS) (Divekar et al., 2022). Los MS son compuestos químicos de bajo peso molecular (Figura 1)  como terpenos, alcaloides, aminoácidos no proteicos, aminas, compuestos fenólicos, glucósidos, terpenoides, poliacetilenos, policétidos y fenilpropanoides (Sepúlveda-Jiménez et al., 2003) que tienen funciones no esenciales en las plantas. En condiciones óptimas para su desarrollo, generalmente no interfieren  con las reacciones del metabolismo primario, que se centra en el crecimiento, desarrollo y reproducción de plantas, incluyendo la síntesis de carbohidratos, lípidos y proteínas (Castellanos y Espinosa-García, 1997). Adicionalmente, la acumulación y distribución de los MS se presenta a diferentes niveles, abarcando diferentes órganos de las plantas como tallos, raíces, hojas, flores, frutos y semillas, y en distintas especies de plantas, incluso existe variabilidad en una misma especie, pero bajo diferentes condiciones estresantes.

Figura 1. Principales metabolitos secundarios producidos por las plantas bajo condiciones de estrés.

Desde el punto de vista biotecnológico, la complejidad del proceso de ajuste fisiológico que presentan las plantas frente al estrés representa una oportunidad valiosa. Esta ha sido aprovechada como una fuente significativa para la obtención de compuestos bioactivos útiles en diferentes industrias, tales como la medicina y farmacéutica, cosmética y de cuidado personal, alimentos y suplementos dietéticos, agricultura, industria química y de materiales. 

El rol de los metabolitos secundarios en la agricultura.

En la actualidad, el sector agrícola se enfrenta a varios retos (Figura 2). Se calcula que la población humana aumentará a los 9,500 millones de habitantes para el año 2050, lo que implica que la producción agrícola deberá incrementarse en un 70%. Sin embargo, se estima que la producción mundial de alimentos decrecerá en un 12% los próximos 25 años, esto debido principalmente a la limitación de recursos, la degradación de los suelos agrícolas y el cambio climático (ELD Initiative, 2015). Las prácticas agrícolas actuales se basan en el uso de fertilizantes químicos y pesticidas (agroquímicos) con el objetivo de incrementar el rendimiento de los cultivos. No obstante, su uso ha ocasionado el deterioro de la calidad del suelo y agua, debido a que únicamente entre el 20-40% de los agroquímicos empleados son aprovechados por los cultivos (Kumar et al., 2022). 

Una posible solución para mitigar algunos de estos problemas es el desarrollo de prácticas agrícolas sostenibles, que aprovechen los MS sintetizados por las plantas. Estos compuestos podrían ser utilizados para aumentar o sostener mayores rendimientos, manteniendo al mismo tiempo la salud y la fertilidad general del suelo. Dentro de las principales aplicaciones de los MS en el sector agrícola destaca su uso como bioplaguicida y como agentes promotores del crecimiento vegetal (Banchio y Correa, 2023). 

Figura 2. Retos actuales a los que se enfrenta la agricultura.

Plaguicidas botánicos/Bioplaguicidas

La producción de los agroecosistemas se ve fuertemente afectada por las plagas. La estrategia mayormente empleada para el control de las plagas es, la aplicación de pesticidas sintéticos; sin embargo, se estima que cada año se pierde hasta el 50% del rendimiento de la producción mundial de cultivos, debido a la resistencia a los pesticidas, aunado a los efectos adversos en el medio ambiente y la salud (Gould et al., 2018). Esta situación, ha generado una continua demanda por descubrir nuevos plaguicidas con modos de acción novedosos, bajo un enfoque sustentable, acompañada de esfuerzos para disminuir su coste de producción. Es aquí donde los MS obtenidos de extractos de plantas entran en acción; ya que algunos MS como esteroides, alcaloides, taninos, terpenos, fenoles, flavonoides y resinas, habitualmente forman parte de los plaguicidas botánicos, los cuales actúan de diversas formas contra las plagas, como insectos, hongos, bacterias, nematodos y células hospedadoras de plantas infectadas con patógenos víricos. 

Dependiendo del MS y de la plaga, los modos de acción pueden incluir repelencia, inhibición, desnaturalización de proteínas y otros efectos. Algunos ejemplos son: la piretrina, derivados de la flor de crisantemo, ataca las células nerviosas de los insectos, causándoles parálisis y la muerte; la azadiractina obtenida del árbol de Neem, inhiben el apetito de los insectos, actúa como repelentes, inducen anomalías en la muda, dificultan la oviposición y reproducción; la alicina obtenida del ajo inhibe la formación de esporas, síntesis de micotoxinas y proteínas de hongos patógenos,  el pirocatecol, extraído de la sábila tiene acción antibacteriana inhibiendo actividades celulares y desnaturalizando proteínas (Lengai et al., 2020), entre otros.

Promotores del crecimiento vegetal/Bioestimulantes 

El estrés abiótico, inducido por el cambio climático global (por ejemplo, la sequía, la salinidad, las temperaturas extremas, los metales pesados y la radiación UV) ha desestabilizado los frágiles agroecosistemas, disminuyendo el rendimiento de las plantas, reduciendo así la productividad y la calidad de los cultivos (Hosseinifard et al., 2022). Últimamente, la aplicación de bioestimulantes se ha considerado como una alternativa para estimular el crecimiento de las plantas y la productividad de los cultivos, tanto en condiciones de estrés como de control.

Los bioestimulantes (BS) son compuestos orgánicos y/o inorgánicos que, aplicados a las plantas, estimulan diversos procesos, lo que mejora el crecimiento, la productividad y la tolerancia al estrés. Existen varios tipos de BS y se pueden clasificar en función de la fuente de materia prima en seis grandes grupos, como algas marinas, extractos de plantas, hidrolizados de proteínas, sustancias húmicas, compuestos inorgánicos y inorgánicos y microorganismos (Franzoni et al., 2022). Los bioestimulantes derivados de plantas (BSDP), son extractos obtenidos a partir de diferentes órganos y/o tejidos de las plantas, ricos en compuestos bioactivos, como son los MS (Zulfiqar et al., 2020). Los BSDP tienen un gran potencial para provocar la tolerancia de las plantas a diversos estreses abióticos y, de este modo mejorar el crecimiento y rendimiento de las plantas. 

Se ha demostrado que los extractos de raíz de zanahoria mejoran el crecimiento del chícharo, ejote, cultivo de peras y el hinojo. Asimismo, los extractos de hojas de sábila, ajo y té verde han mejoraron el crecimiento en diversos lechuga, tomate, berenjenas, olivo y plantas ornamentales; el extracto de hoja de moringa también se utiliza para aumentar el crecimiento de las plantas en varios cultivos, como la calabaza, los chicharos y el frijol. Esta acción beneficiosa de los BSDP está asociada a los altos niveles de minerales, carbohidratos, proteínas, aminoácidos, hormonas, enzimas antioxidantes y MS (Zulfiqar et al., 2020; Del Buono, 2021). 

Los MS obtenidos producidos por las plantas así como los extractos, tienen el potencial de apoyar a las prácticas agrícolas sustentables, ya que presentan las siguientes características:  a) modos de acción específicos, por lo que no afectan a otros organismos, por ejemplo polinizadores o peces; b) no dejan residuos en los cultivos ni en el medio ambiente, contribuyendo así a la conservación del medio ambiente y garantizando la seguridad de los consumidores, c) bajo costo de producción, d) poca o nula toxicidad y e) poco desarrollo de resistencia. Aunado a esto, los cambios en las políticas agrícolas y ambientales, han generado una tendencia al incremento en el uso de bioestimulantes, como alternativa al uso de fertilizantes químicos, lo cual se vio reflejado en el mercado de los Bioestimulantes/Bioplaguicidas, valorado en 2.9 billones de dólares para el 2022 y se estima que, para el 2027 este alcance un valor aproximado d 6.200 billones de dólares (Gupta et al, 2023) (Figura 3). 

Figura 3. Estimación del crecimiento del mercado de los bioestimulantes.

En el Tecnológico Nacional de México, campus Valle del Yaqui, nos encontramos explorando el perfil fitoquímico de Parkinsonia aculeata, conocida como “palo verde”, una planta nativa del semidesierto Mexicano, que puedan mostrar actividad contra organismos fitopatógenos como gusano cogollero (Helicoverpa armigera) en cultivos de maíz,  fusariosis ocasionada por el hongo fusarium oxysporum en cultivos de tomate y como promotor del crecimiento vegetal en maíz, obteniendo resultados prometedores. 

Conclusión

El reino plantae, está constituido por aproximadamente 390,000 especies, las cuales son un repositorio de cientos o miles de metabolitos secundarios. Sin embargo, el 90% de estas especies aún no han sido investigadas. Aún queda mucho por explorar, ya que es necesario continuar con investigaciones referentes al aislamiento, identificación, elucidación de la estructura, función biológica, usos potenciales, a la aplicación y evaluación en el campo, comprendiendo su función e impacto ecológico; así como en la producción, comercialización y legislación de estas moléculas de alto valor biotecnológico.  

Referencias

Banchio, E., & Correa, A. L. R. (2023). ¿Cómo se protegen las plantas de los insectos? Un ejercicio práctico de laboratorio para ilustrar los mecanismos de defensa de la planta a través de metabolitos secundarios. Revista Latinoamericana de Educación Científica, Crítica y Emancipadora, 2(1), 409-424.

Castellanos, I., & Espinosa-García, F. J. (1997). Plant secondary metabolite diversity as a resistance trait against insects: a test with Sitophilus granarius (Coleoptera: Curculionidae) and seed secondary metabolites. Biochemical Systematics and Ecology, 25(7), 591-602.

Del Buono, D. (2021). Can biostimulants be used to mitigate the effect of anthropogenic climate change on agriculture? It is time to respond. Science of the Total Environment, 751, 141763. 

Divekar, P. A., Narayana, S., Divekar, B. A., Kumar, R., Gadratagi, B. G., Ray, A., ... & Behera, T. K. (2022). Plant secondary metabolites as defense tools against herbivores for sustainable crop protection. International journal of molecular sciences, 23(5), 2690.

ELD Initiative (2015). Report for Policy and Decision Makers: Reaping Economic and Environmental Benefits From Sustainable Land Management (Bonn, Germany: Initiative and Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) GmbH).

Franzoni, G., Cocetta, G., Prinsi, B., Ferrante, A., & Espen, L. (2022). Biostimulants on crops: Their impact under abiotic stress conditions. Horticulturae, 8(3), 189.

Gould, F., Brown, Z. S., & Kuzma, J. (2018). Wicked evolution: Can we address the sociobiological dilemma of pesticide resistance? Science, 360(6390), 728-732.

Gupta, S., Bhattacharyya, P., Kulkarni, M. G., & Doležal, K. (2023). Growth regulators and biostimulants: upcoming opportunities. Frontiers in Plant Science, 14, 1209499.

Hosseinifard, M., Stefaniak, S., Ghorbani Javid, M., Soltani, E., Wojtyla, Ł., & Garnczarska, M. (2022). Contribution of exogenous proline to abiotic stresses tolerance in plants: A review. International Journal of Molecular Sciences, 23(9), 5186.

Kumar, M., Ahmad, S., & Singh, R. P. (2022). Plant growth promoting microbes: Diverse roles for sustainable and ecofriendly agriculture. Energy Nexus, 100133.

Lengai, G. M., Muthomi, J. W., & Mbega, E. R. (2020). Phytochemical activity and role of botanical pesticides in pest management for sustainable agricultural crop production. Scientific African, 7, e00239.

Sepúlveda-Jiménez, G., Porta-Ducoing, H., & Rocha-Sosa, M. (2003). La participación de los metabolitos secundarios en la defensa de las plantas. Revista mexicana de fitopatología, 21(3), 355-363.

Zulfiqar, F., Casadesús, A., Brockman, H., and Munné-Bosch, S. (2020). An overview of plant-based natural biostimulants for sustainable horticulture with a particular focus on moringa leaf extracts. Plant Sci. 295, 110194. doi: 10.1016/j.plantsci.2019.110194