Absorción de agua y nutrientes y respuesta fisiológica de plantas halofitas y glicofitas bajo condiciones de estrés salino

Abstract

[ES] El incremento en la concentración de sales en suelos y agua es una de las problemáticas que más amenazan a la humanidad por su efecto directo sobre la productividad de las cosechas. En líneas generales la pregunta a la que queremos contribuir es ¿cómo enfrentarnos a una situación de salinización en un contexto de cambio climático y crecimiento demográfico? Más concretamente estudiamos la problemática en el sureste español desde un enfoque en que los resultados puedan ser explotados en el corto y medio plazo por el sector empresarial. La Región de Murcia es una de las principales zonas productoras del sureste español donde además existen graves problemas de salinización. En la presente tesis doctoral se propone utilizar aguas salinas para riego e investigar las implicaciones de ello a nivel de absorción de agua y nutrientes, estudiando también los cambios fisiológicos en la planta para obtener aplicaciones que permitan el crecimiento económico. En este sentido se abordan dos estrategias: por un lado, el estudio de plantas halofitas, y por otro, la bioestimulación en plantas glicofitas. La mayoría de los cultivos productivos son plantas glicofitas, ven afectadas sus producciones cuando hay elevadas concentraciones de sal en el medio de cultivo. Por el contrario, las plantas halofitas han desarrollado diferentes mecanismos para resistir los efectos negativos de la salinidad. Es por ello que la explotación directa de halofitas se ha identificado como una salida económica para las zonas afectadas. Otra forma de mitigación de los efectos del cambio climático es el desarrollo de la bioestimulación para incrementar la resistencia a estreses o para incrementar la concentración de compuestos bioactivos en los alimentos. Para los estudios realizados, se seleccionaron 6 especies vegetales que fuesen representativas de los diferentes comportamientos frente a la salinidad, que fuesen propias de la localización seleccionada (Región de Murcia) y de interés para la empresa promotora del proyecto de investigación (Sakata Seed Ibérica). Las especies estudiadas fueron: Brassica oleracea L., Brassica rapa L., Cakile maritima, Salicornia fruticosa y Atriplex halimus. El primer objetivo se centró en el análisis de los efectos de la salinidad sobre las especies objeto de estudio. Más concretamente intentando identificar rasgos que pudiesen servir para discriminar entre especies y/o cultivares las mejores respuestas a la salinidad. Por un lado, las interrelaciones entre distintos rasgos fisiológicos en respuesta a la salinidad se analizaron estadísticamente mediante un Discriminant Canonical Analysis (DCA), en el que se observó una relación entre el crecimiento y la suculencia de las hojas como medida de adaptación a la salinidad. Patrones como la acumulación de iones, el contenido en proteínas y ácidos grasos insaturados en respuesta a la salinidad pueden emplearse para discriminar entre distintas respuestas al estrés salino. Por otro lado, se estudió el efecto de la salinidad sobre la concentración y el perfil de glucosinolatos de distintos cultivares de brócoli (Brassica oleracea L.) en distintos periodos productivos. También se observó el efecto estimulador de los estreses como la temperatura y la salinidad sobre el perfil de glucosinolatos y la posibilidad de inducir complejos de glucosinolatos con fenólicos que no habían sido descritos previamente en Brassicales. El segundo objetivo se centró en la búsqueda de formas de explotación económica de las distintas respuestas fisiológicas. Por un lado, se desarrolló una metodología que permitió incrementar el contenido en glucosinolatos de las plantas de brócoli, sin que se viese en detrimento ni la producción ni los parámetros organolépticos del órgano comercial, lo cual fue posible mediante la aplicación de metil jasmonato y un polieter polisiloxano de forma foliar. Por otro lado, en las especies halofitas se analizó su aptitud par

[CA] L'augment de la concentració de sals en sòls i aigua és un dels problemes que més amenacen la humanitat pel seu efecte directe sobre la productivitat dels cultius. En termes generals, la qüestió a la qual volem contribuir és: com afrontar una situació de salinització en un context de canvi climàtic i creixement de la població? Més concretament, hem estudiat els problemes del sud-est d'Espanya des d'un enfocament en què els resultats poden ser explotats a curt i mitjà termini pel sector empresarial. La Regió de Múrcia és una de les principals zones productores del sud-est d'Espanya on també hi ha greus problemes de salinització. En aquesta tesi s'utilitzen aigües salines per al reg i s'investiguen les implicacions que això comporta a nivell d'absorció d'aigua i nutrients, estudiant també els canvis fisiològics en la planta per obtenir aplicacions que permetin el creixement econòmic. En aquest sentit s'aborden dues estratègies: d'una banda, l'estudi de les plantes d'halòfites i, de l'altra, la bioestimulació en plantes glicòfítes. La majoria dels cultius productius són plantes glicòfites, la seva produccions es veu afectada quan hi ha altes concentracions de sal en el medi de creiximent. Per contra, les plantes halófites han desenvolupat diferents mecanismes per resistir els efectes negatius de la salinitat. És per això que l'explotació directa d'halòfits s'ha identificat com una sortida econòmica per a les zones afectades. Una altra forma de mitigació dels efectes del canvi climàtic és el desenvolupament de bioestimulació per augmentar la resistència a estrès o augmentar la concentració de compostos bioactius en els aliments. Per als estudis realitzats en aquesta tesi doctoral es van seleccionar 6 espècies vegetals representatives dels diferents comportaments contra la salinitat, típics de la ubicació seleccionada (Regió de Múrcia) i d'interès per a l'empresa promotora del projecte de recerca (Sakata Seed Ibérica). Les espècies estudiades van ser: Brassica oleracea L., Brassica rapa L., Cakile maritima, Salicornia fruticosa i Atriplex halimus.

El primer objectiu es va centrar en l'anàlisi dels efectes de la salinitat sobre les espècies objecte d'estudi. Més específicament tractant d'identificar trets que podrien servir per discriminar entre espècies i/o cultivars amb les millors respostes a la salinitat. D'una banda, les interrelacions entre diferents trets fisiològics en resposta a la salinitat van ser analitzades estadísticament per una Anàlisi Canònica Discriminant (DCA), en la qual s'observava una relació entre el creixement i la suculència de les fulles com a mesura d'adaptació a la salinitat. Patrons com l'acumulació d'ions, el contingut de proteïnes i àcids grassos insaturats en resposta a la salinitat es poden utilitzar per discriminar entre diferents respostes a l'estrès salí. D'altra banda, s'ha estudiat l'efecte de la salinitat en la concentració i perfil de glucosinolats de diferents cultius de bròquil (Brassica oleracea L.) en diferents períodes de producció. També vam observar l'efecte estimulant d'estrès com la temperatura i la salinitat en el perfil dels glucosinolats i la possibilitat d'induir complexos glucosinolatats amb fenòlics que no s'havien descrit prèviament en brassicales. El segon objectiu es va centrar en la recerca de formes d'explotació econòmica de les diferents respostes fisiològiques. D'una banda, es va desenvolupar una metodologia que permetia augmentar el contingut de glucosinolat de plantes de bròquil, sense perjudici ni de la producció ni dels paràmetres organolèptics de l'òrgancomercial, que va ser possible mitjançant l'aplicació de jasmonat de metil i un polieter de polisiloxà de forma foliar. D'altra banda, per a les espècies d'halòfits, es va realitzar una anàlisi per determinar la seva idoneïtat per a possibles usos tant culinaris com industrials.

[EN] The increase in the concentration of salts in soils and water is one of the problems that most threatens humanity due to its direct effect on crop productivity. In general terms, the question we want to contribute to is how to deal with salinization in the context of climate change and population growth? More specifically, we study the problems in south-eastern Spain from an approach in which the results can be exploited in the short and medium-term by the business sector. The region of Murcia is one of the main producing areas in south-eastern Spain where there are also serious salinization problems for various reasons. In this doctoral thesis, it is proposed to use saline water for irrigation and to investigate the implications that this entails at the level of water and nutrient absorption, also studying the physiological changes in the plant to obtain applications that allow economic growth. In this sense, two strategies are approached: on the one hand, the study of halophytic plants, and on the other hand, biostimulation in glycophyte plants. Most of the productive crops are glycophyte plants, their productions are affected when there are high concentrations of salt in the culture medium. On the contrary, halophyte plants have developed different mechanisms to resist the negative effects of salinity. That is why the direct exploitation of halophytes have been identified as an economic outlet for the salt-affected areas. Another way of mitigating the effects of climate change is the development of biostimulation to increase resistance to stresses or to increase the concentration of bioactive compounds in food. For the studies carried out in this doctoral thesis, 6 plant species were selected that were representative of the different behaviours towards salinity, that were specific to the selected location (The region of Murcia), and of interest to the company promoting the research project (Sakata Seed Ibérica). The species studied were: Brassica oleracea L., Brassica rapa L., Cakile maritima, Salicornia fruticosa, and Atriplex halimus. The first objective of this thesis focused on the analysis of the effects of salinity on the species understudy. More specifically trying to identify traits that could serve to discriminate between species and/or cultivars that best respond to salinity. Moreover, the interrelationships between different physiological traits in response to the salinity were statistically analysed using a Discriminant Canonical Analysis (DCA), in which a relationship between growth and succulence of the leaves were observed as a measure of adaptation to salinity. Patterns such as ion accumulation, protein content, and unsaturated fatty acids in response to salinity can be used to discriminate between different responses to salt stress. On the other hand, the effect of salinity on the concentration and profile of glucosinolates of different cultivars of broccoli (Brassica oleracea L.) indifferent productive periods were also studied. The stimulating effect of stresses such as temperature and salinity on the glucosinolate profile and the possibility of inducing glucosinolates with phenolics complexes that had not been previously described in Brassicales were also observed. The second objective focused on the search for forms of economic exploitation of the different physiological responses. On the one hand, a methodology was developed that allowed increasing the glucosinolate content of broccoli plants, without affecting the production or any organoleptic parameter of the commercial organ. This was possible through the application of methyl jasmonate and a polyether polysiloxane in foliar form. On the other hand, for the halophyte species, an analysis was carried out to determine their aptitude for possible culinary and industrial uses.