Estudio de la acumulación de compuestos fenólicos y otros eventos bioquímicos relacionados con la respuesta al suministro de luz y nitrato en plantas de Cecropia peltata Público Deposited

Cecropia peltata es una especie vegetal conocida en México como “guarumbo” y es usada en la medicina tradicional para el tratamiento de la diabetes mellitus. En este trabajo, se desarrollaron plantas de C. peltata de 5 meses de edad, en un sistema de cultivo hidropónico bajo condiciones controladas. Diferentes intensidades de luz 20, 30 y 100 μmol m‒2 s‒1 de irradiancia y concentraciones de nitrato 13, 2 y 0.2 mM fueron aplicados durante 28 días para observar su efecto sobre la acumulación de biomasa y de compuestos fenólicos (ácido clorogénico e isoorientina). Los resultados son acordes con las predicciones de la hipótesis del balance de carbono y nutrientes (CNB). La acumulación de biomasa en partes aéreas fue estimulada por la mayor irradiancia (100 μmol m‒2 s‒1); de manera similar, en la mayor irradiancia en combinación con menor concentración de nitrato (0.2 mM), el crecimiento de la raíz fue estimulado (la relación raíz-brote aumentó 2-veces con respecto al control). Los contenidos de fenólicos totales (FT) y de ácido clorogénico (ACG) fueron superiores en partes aéreas que en raíces. Los mayores incrementos se obtuvieron en el follaje por la mayor irradiancia y menor concentración de nitrato, de 3.8-veces en FT y 7.7-veces en ACG con respecto a las plantas del control. Isoorientina (ISO) se acumuló en niveles muy bajos. La actividad antioxidante (AA) y el contenido FT mostraron una fuerte correlación positiva. En partes aéreas, la actividad de la enzima fenilalanina amonio-liasa (PAL) mostró incrementos significativos (2-veces) por la mayor irradiancia; sin embargo, su actividad no varió en las raíces por los diferentes tratamientos. En una siguiente etapa, la evaluación de la intensidad de la luz en combinación con niveles de nitrato sobre el crecimiento y de algunos cambios bioquímicos con respecto al tiempo (cinéticas), se enfocó al análisis de partes aéreas empleando el modelo hidropónico de plantas de C. peltata. En condiciones de alta irradiancia y deficiencia de nitrato, se pudo caracterizar parcialmente la secuencia de los mecanismos de respuesta sobre los cuales impactan estos factores, así como su relación con el metabolismo de los compuestos fenólicos. El incremento de los niveles de ERO (H2O2) causó la oxidación de lípidos que se detectaron por incrementos de los niveles de malondialdehído (MDA). Por otro lado, la enzima PAL es activada para la producción de FT, particularmente el ACG como mayoritario de la especie; el incremento de FT es parte de la respuesta de las células para evitar la progresión del daño oxidativo causado por el incremento de las ERO. Asimismo, la lignificación de la pared celular se relaciona con los cambios metabólicos de los fenólicos en condiciones de estrés. El cultivo de guarumbo bajo condiciones controladas, es una alternativa viable para la obtención de material vegetal confiable, seguro y eficaz; además es un sistema útil para aumentar los rendimientos de biomasa y compuestos bioactivos que favorecerían la comercialización de esta especie medicinal. En el presente trabajo, por medio de la manipulación del suministro de luz y nitrato en plantas de C. peltata cultivadas en hidroponía, se favoreció el crecimiento y la acumulación de compuestos fenólicos sobre todo en condiciones de alta irradiancia y deficiencia de nitrato.

Cecropia peltata is popularly known as “guarumbo” in Mexico and is used in traditional medicine for treatment of diabetes mellitus. In this work, C. peltata plants were cultivated in a hydroponic system under controlled conditions. Gradients of light 20, 30, and 100 μmol m‒2 s‒1 (irradiance) and nitrate concentrations 13, 2, and 0.2 mM, were applied over a 28-day period to estimate their effect on biomass allocation and accumulation of bioactive (chlorogenic acid and isoorientin) phenolic compounds. According to Carbon Nutrient Balance (CNB) hypothesis predictions, biomass accumulation in foliage was stimulated by the highest irradiance (100 μmol m‒2 s‒1); similarly, at highest irradiance in combination with lowest nitrate concentration (0.2 mM), root growth was stimulated (root-to-shoot ratio increased 2-fold with respect to the control). Total phenolics (TP) and chlorogenic acid (CGA) contents were higher in aerial parts than in roots; highest contents were also obtained under high irradiance and nitrate deficiency, with a 3.8-fold increase in TP and a 7.7-fold increase in CGA in foliage with respect to the control plants. Isoorientin was accumulated at very low levels. Antioxidant activity and TP content showed a strong positive correlation. Phenylalanine ammonia- lyase activity (PAL) in aerial parts exhibited significant changes (>2-fold) by highest irradiance; however, PAL activity did not change in roots under the different treatments. In the next step, the assessment of the irradiance in combination with levels of nitrate on the growth and biochemical changes with time (kinetics), focused on the analysis of aerial parts using the hydroponic model of C. peltata plants. Under conditions of highest irradiance and nitrate deficiency, it could partially characterize the sequence of response mechanisms which have an impact on these factors, as well as its relationship with the metabolism of the phenolic compounds. The increase in the levels of ERO (H2O2) caused the oxidation of lipids that were detected by increases in the levels of malondialdehyde (MDA). On the other hand, the PAL enzyme is activated for the production of FT, particularly the ACG as the most abundant on the specie; the increase of FT is part of the response of cells to prevent the progression of the oxidative damage caused by the increase of the ERO. Also, the cell wall lignification is related to the metabolic changes of the phenolics under stress. The cultivation of guarumbo under controlled conditions, is a viable alternative to obtain reliable, safe and effective plant material; It also is a useful system to increase the yields of biomass and bioactive compounds that would favour the marketing of this medicinal species. In this paper, through the manipulation of the supply of light and nitrate in plants of C. peltata grown in hydroponics, are favored growth and accumulation of phenolic compounds especially in conditions of high irradiance and nitrate deficiency.

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