Aplicación de nanopartículas de silicio en plantas de tomate para inducir tolerancia al estrés por arsénico

Abstract

"El arsénico (As) es considerado el "rey de los venenos". Debido a su abundancia generalizada en el agua potable, influye en la salud humana a nivel mundial (Rehman et al., 2020). Está presente en bajas concentraciones en el medio ambiente y se origina a partir del impacto antropogénico y las fuentes geogénicas (Kumar et al., 2015). Millones de personas en todo el mundo están crónicamente expuestas a altos niveles de As en los alimentos y el agua potable (Ruíz-Huerta et al., 2017). La exposición crónica a As causa anormalidades de la piel, neuropatía periférica, problemas cardiovasculares, respiratorio, hepático y renal entre otras (Erickson et al., 2018; Mohammed Abdul et al., 2015) así cómo cáncer de piel, hígado y pulmón (Varol and Köse, 2018). El As en el suelo y en el agua puede representar un riesgo potencial para los organismos del suelo y las plantas (Vašíčková et al., 2016). Las especies inorgánicas de As existen en dos estados de oxidación diferentes, conocidos como arseniato pentavalente completamente oxidado (As V) y arsenito trivalente reducido (As III) (Xu et al., 2015), siendo el As III 100 veces más toxico que el As V (Chandrakar et al., 2016). En las plantas, el As induce la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS) que conducen a la peroxidación lipídica que puede causar la muerte de la planta (Finnegan and Chen, 2012). Sin embargo, ante la presencia de As, las plantas activan su sistema de defensa antioxidante (compuestos enzimáticos y no enzimáticos) para proteger al sistema celular de los efectos nocivos de las ROS (Gomes et al., 2014). La mayoría de los cultivos, entre estos el tomate, son sensibles al estrés por As, cuyos efectos consisten en reducir la germinación de semillas, disminuir su crecimiento y modificar respuestas moleculares (Beesley et al., 2013; Marmiroli et al., 2014; Miteva et al., 2005). Por la extensión de sus sembradíos y alto nivel de consumo, el tomate (Solanum lycopersicum L.) es una de las hortalizas de mayor importancia en el mundo (Nicola et al., 2009). No obstante, su producción y consumo pueden verse comprometidos por la contaminación de As. Los campos agrícolas se consideran, inclusive, como una fuente de toneladas de As que entran a la cadena alimentaria, año tras año, mediante el riego de dichos cultivos con agua subterránea con en As y/o su cultivo en suelos cargados de As (Neumann et al., 2011). Cuando el As ingresa a la cadena alimentaria, a través del consumo de cultivos, el asunto se convierte en un motivo de preocupación ambiental y de salud (Praveen et al., 2017). Por otro lado, la nanotecnología tiene un enorme potencial en la agricultura, desde aumentar el rendimiento, hasta mejorar la calidad de los productos agrícolas (Kumar et al., 2019). En la actualidad la nanotecnología también es útil como una tecnología ambiental. Ésta se usa para proteger al ambiente, ya sea a través de la prevención, el tratamiento o la limpieza de sitios con desechos peligrosos (Karn et al., 2009). Las nanopartículas (NPs) son partículas con dimensiones inferiores a 100 nm que se caracterizan por un área superficial especifica alta y que pueden servir como adsorbentes de metales pesados (Auffan et al., 2009; Xiong et al., 2015). Las NPs modifican significativamente las funciones y el metaboloma de las plantas, aumentan la clorofila, las enzimas antioxidantes, el glutatión y el ácido ascórbico (Jurkow et al., 2020). Se ha reportado que, por ejemplo, la aplicación de NPs de óxido de zinc (NPs ZnO) a cultivos de chile habanero mejoran la calidad de los frutos aumentando el contenido de capsaicina, fenoles totales y flavonoides totales (García-López et al., 2019). En tomate se ha reportado que la aplicación de NPs de cobre induce la producción de frutos con mayor firmeza y aumenta el contenido de licopeno y vitamina C (Lopez-Vargas et al., 2018). Estudios recientes han demostrado que los adsorbentes a nanoescala tienen una mayor capacidad de adsorción de As que las partículas más grandes (Meng et al., 2005). Se ha reportado también que la aplicación de NPs ZnO reduce la toxicidad de As en plantas de soya al restringir la absorción y modular las enzimas antioxidantes, el ciclo ascorbato-glutatión y el sistema de glioxalasa (Ahmad et al., 2020). En cuanto a las NPs de silicio (NPs Si), se ha reportado que su aplicación aumenta el crecimiento de plantas bajo toxicidad por plomo (Emamverdian et al., 2020), reduce la acumulación de cromo en plántulas de guisante (Tripathi et al., 2015) y reduce el efecto toxico del arsénico en plantas de maíz (Tripathi et al., 2016). Además, se ha reportado que tienen la capacidad de aumentar el sistema antioxidante en plantas de trigo (Tripathi et al., 2017). La aplicación de NPs Si puede mejorar el contenido de clorofila y disminuir el daño de la pared celular en plantas bajo estrés abiótico (Mahmoud et al., 2020). Considerando que el enriquecimiento de As en el agua de riego puede aumentar la concentración de As en el suelo y la acumulación en tejidos vegetales, además puede modificar el desarrollo fisiológico y bioquímico de la planta, aunado a los cambios de altas concentraciones de nanopartículas de dióxido de silicio (NPs SiO2). Por todo lo anterior, el objetivo del presente trabajo de investigación fue conocer el potencial de dosis altas de NPs SiO2 en la producción de compuestos bioactivos de frutos de tomate en sustrato con As, la acumulación y translocación de As en tejidos vegetales de tomate, la respuesta fisiológica y del sistema de defensa antioxidante, y su efecto en la absorción y acumulación de nutrientes minerales"