Selección y multiplicación de plantas aromático medicinales élite resistentes a sequía y de interés para la industria agroalimentaria

Abstract

Las plantas aromático-medicinales (PAM) además de tener un gran interés botánico y ecológico por su riqueza filogenética y florística representan uno de los cultivos de secano de mayor interés para las industrias alimentarias, cosméticas y farmacéuticas. Sin embargo, son posiblemente las grandes desconocidas de la agricultura española, a pesar de que en nuestro país y más concretamente en la Región de Murcia, se da el cultivo de especies autóctonas con gran interés y proyección comercial como espliego y tomillo rojo. La producción y demanda de PAM se ha incrementado exponencialmente a nivel mundial en los últimos años, no solo por su importancia económica, sino también dada su rusticidad, por su posible uso para la revalorización de suelos no urbanos en zonas rurales desfavorecidas. Ambos factores suponen un importante revulsivo para el desarrollo de programas de mejora que ayuden a incrementar la viabilidad de estos cultivos. En este nuevo escenario, una de las principales amenazas a las que se enfrenta la agricultura mundial es el inminente cambio climático que, según modelos matemáticos y estadísticos, se prevé que incrementará en los próximos años causando cambios en la climatología mundial como el aumento de olas de calor y episodios de sequía severa. A pesar de que los cultivos de secano poseen mecanismos para contrarrestar los efectos negativos de estos cambios adversos, el estrés por sequía es el factor medioambiental más amenazante para la agricultura, con mayor prevalencia en el tiempo lo que lo convierte en un factor limitante para la producción de los cultivos en zonas áridas como la Región de Murcia. Por lo tanto, dentro de los programas de mejora en las producciones de PAM es importante incluir la mayor tolerancia a la sequía como factor de selección en aras de garantizar la sostenibilidad de estas producciones. Con base en esto, el objetivo principal de este proyecto de Tesis se centró en la necesidad de seleccionar y multiplicar ecotipos de PAM con mayor resistencia a las condiciones de escasez hídrica, que permitan obtener nuevas variedades con las que establecer plantaciones con elevado rendimiento y calidad propias de la zona en las cuales son cultivadas. Como punto de partida, para el establecimiento de parcelas experimentales homogéneas, se pusieron a punto protocolos de micropropagación para la producción masiva de plantas de espliego y tomillo idénticas genéticamente. Paralelamente, para la obtención de variedades resistentes a la sequía se prepararon tres ensayos diferentes. En el primer ensayo, “Evaluation of the physiological parameters in Lavandula latifolia Medik. under water deficit for preselection of elite drought-resistant plants” publicado en la revista Industrial Crops & Products, plantas incipientes de espliego fueron sometidas a dos episodios consecutivos de sequía. Posteriormente, los clones de los ecotipos supervivientes (SL1 a SL8) se asignaron aleatoriamente a dos grupos homogéneos. Un grupo fue regado a capacidad de campo (como control) y el otro fue sometido a estrés hídrico durante dos meses. En las hojas de las plantas control y estresadas, se midieron parámetros fisiológicos entre los que se incluyen: el contenido relativo de agua (% RWC), el potencial hídrico (ΨWP), la prolina y el ácido abscísico. También se exploró el sistema de defensa antioxidante de las plantas, mediante el análisis de antioxidantes no enzimáticos (α-tocoferol, plastocromanol-8), peroxidación lipídica (MDA) y pigmentos fotosintéticos (clorofilas a y b, y carotenoides). Se determinó el perfil polifenólico y se analizó por primera vez su correspondiente actividad antioxidante en las primeras etapas de crecimiento de esta especie. Bajo el tratamiento de sequía, los valores de los parámetros fisiológicos fueron similares en todos los ecotipos y cambiaron a medida que avanzaba la deshidratación. Sin embargo, la respuesta de la defensa antioxidante a este estrés fue variable dependiendo del ecotipo en estudio. Como patrón general, hubo una reducción en la concentración de pigmentos fotosintéticos. Aunque no se detectaron diferencias estadísticas en el contenido de α-tocoferol y PC-8, en la mayoría de los casos, los valores de MDA aumentaron significativamente después del episodio de sequía. En el perfil polifenólico, el ácido p-cumárico- glucósido y el ácido rosmarínico-3-O-glucósido fueron los componentes mayoritarios cuantificados, describiéndose por primera vez en esta especie el ácido salviánico y el ácido O-cumárico. En cuanto a la respuesta de estos compuestos fenólicos al estrés hídrico, las concentraciones de la mayoría de los polifenoles disminuyeron, a excepción del ácido rosmarínico, cuya concentración después del estrés fue mayor en tres de los ocho ecotipos en estudio. Este incremento se reflejó en una mayor capacidad antioxidante in vitro. Estos hallazgos sugieren que Lavandula latifolia, a pesar de ser un cultivo con escasa demanda hídrica, sufrió los efectos negativos de la sequía, a la vez que mostró algunas estrategias para contrarrestar los efectos negativos de la deshidratación. El siguiente paso fue comparar el comportamiento en condiciones reales de cultivo de los espliegos tolerantes a la sequía versus dos espliegos de un cultivo comercial. En el segundo ensayo, “Agronomic evaluation and chemical characterization of Lavandula latifolia Medik. under the semiarid conditions of the Spanish Southeast” publicado en la revista Plants, se cultivaron en una parcela experimental clones de los dos ecotipos preseleccionados, junto con clones de dos plantas comerciales (control). Los principales resultados confirmaron un aumento en la producción de biomasa y aceite esencial con la edad de la planta. El quimiotipo de aceite esencial definido por 1,8-cineol, linalol y alcanfor se mantuvo en el tiempo, pero se detectó una disminución de 1,8-cineol en beneficio del linalol. En el perfil fenólico se identificaron 14 componentes, siendo el ácido salviánico y un derivado del ácido rosmarínico los principales compuestos cuantificados. Estos extractos fenólicos mostraron una potente capacidad antioxidante in vitro, característica que se mantuvo estable durante el segundo y tercer año de cultivo. Finalmente, para la obtención de ecotipos resistentes a sequía de Thymus zygis ssp. gracilis, se aplicó un exceso de luz LED para generar una posible “memoria” que permita una mejora en la respuesta a una sequía severa. En el tercer experimento, “Physiological evaluation of Thymus zygis ssp. gracilis against drought, in ecotypes pretreated with high intensity LED light”, se evaluaron los parámetros fisiológicos, incluidos el contenido relativo de agua y los niveles de prolina y ácido abscísico, el contenido de pigmentos fotosintéticos y tococromanoles, los perfiles fenólicos, la capacidad antioxidante y la peroxidación lipídica, en 1600 clones procedentes de 20 ecotipos. Los resultados confirmaron el efecto negativo de la sequía en el estado general de la planta, pero también mostraron un efecto positivo del pretratamiento con luz LED, lo que mejoró la respuesta del sistema antioxidante en el tomillo rojo. Específicamente, el pretratamiento con alta intensidad lumínica se asoció con una menor reducción en el contenido de pigmentos fotosintéticos y tococromanoles, un mayor contenido de éter dimetílico del ácido cafeico y una reducción de la peroxidación lipídica en respuesta a la sequía. Con base a los resultados anteriores se puede concluir que la variabilidad intraespecífica de L. latifolia en la respuesta a la sequía puede considerarse una herramienta útil para la preselección de ecotipos con mayor resistencia a un estrés hídrico, los cuales, al ser evaluados en condiciones reales de campo alcanzaron un buen nivel de producción y rendimiento después del segundo año de establecimiento del cultivo. Por otra parte, se evidenció que un pretratamiento con alta intensidad lumínica pudo generar una posible "memoria" que permitió a T. zygis a superar un episodio de sequía severa; por lo tanto, el estrés lumínico podría considerarse como una tecnología útil para la selección de ecotipos de tomillo rojo con mayor resistencia a la sequía.

Aromatic-medicinal plants (PAM), in addition to having great botanical and ecological interest due to their phylogenetic and floristic richness, represent one of the dryland crops of greatest interest for the food, cosmetics and pharmaceutical industries. However, they are possibly the great unknowns of Spanish agriculture, despite the fact that in our country and more specifically in the Region of Murcia, native species with great interest and commercial projection such as spike lavender and red thyme are cultivated. The production and demand for PAM have increased exponentially worldwide in recent years, not only due to its economic importance but also due to its possible use for the revaluation of non-urban land in disadvantaged rural areas. Both factors represent an essential stimulus for the development of improvement programs that help increase the viability of these crops. In this new scenario, one of the main threats facing global agriculture is the imminent climate change, which according to mathematical and statistical models, is expected to rise in the coming years, causing changes in global climate such as increased waves of heat and episodes of severe drought. Even though rainfed crops have mechanisms to counteract the negative effects of these adverse changes, drought is the most threatening environmental factor for agriculture, with a higher prevalence over time, which makes it a limiting factor for crop production in arid areas such as the Region of Murcia. Therefore, within PAM production improvement programs, it is important to include greater tolerance to drought as a selection factor to guarantee the sustainability of these productions. Based on this, the main objective of this thesis project focused on the need to select and multiply PAM ecotypes with greater resistance to water scarcity conditions, which allows for obtaining new varieties which be able to establish plantations with high yield and quality, typical of the area in which they are grown. As a starting point, for the establishment of homogeneous experimental plots, micropropagation protocols were developed for the mass production of genetically identical spike lavender and thyme plants. At the same time to obtain varieties resistant to drought, three different trials were prepared. In the first essay, “Evaluation of the physiological parameters in Lavandula latifolia Medik. under water deficit for preselection of elite drought-resistant plants” published in the journal Industrial Crops & Products, incipient spike lavender plants were subjected to two consecutive episodes of drought. Subsequently, clones of the surviving ecotypes (SL1 to SL8) were randomly assigned to two homogeneous groups. One group was irrigated at field capacity (as a control) and the other was subjected to water stress for two months. In the leaves of control and stressed plants, physiological parameters were measured, including relative water content (% RWC), water potential (ΨWP), proline, and abscisic acid. The next step was to compare the behavior in real growing conditions of drought-tolerant spike lavender versus two spike lavenders from a commercial crop. In the second essay, “Agronomic evaluation and chemical characterization of Lavandula latifolia Medik. under the semiarid conditions of the Spanish Southeast” published in the journal Plants, clones of the two preselected ecotypes were grown in an experimental plot, along with clones of two commercial plants (control). The main results confirmed an increase in biomass and essential oil production with plant age. The essential oil chemotype defined by 1,8-cineole, linalool and camphor was maintained over time, but a decrease in 1,8-cineole was detected in favor of linalool. In the phenolic profile, 14 components were identified, with salvianic acid and a derivative of rosmarinic acid being the main quantified compounds. These phenolic extracts showed a powerful antioxidant capacity in vitro, a characteristic that remained stable during the second and third year of cultivation. Finally, to obtain drought-resistant ecotypes of Thymus zygis ssp. gracilis, an excess of LED light was applied to generate a possible “memory” that allows an improvement in the response to severe drought. In the third experiment, “Physiological evaluation of Thymus zygis ssp. gracilis against drought, in ecotypes pretreated with high intensity LED light”, physiological parameters were evaluated, including relative water content and levels of proline and abscisic acid, content of photosynthetic pigments and tocochromanols, phenolic profiles, antioxidant capacity and lipid peroxidation in 1600 clones from 20 ecotypes. The results confirmed the negative effect of drought on the general condition of the plant, but also showed a positive effect of pretreatment with LED light, which improved the response of the antioxidant system in red thyme. Specifically, pretreatment with high light intensity was associated with a lower reduction in the content of photosynthetic pigments and tocochromanols, a higher content of caffeic acid dimethyl ether, and a reduction in lipid peroxidation in response to drought. Based on the previous results, it can be concluded that the intraspecific variability of L. latifolia in the response to drought can be considered a useful tool for the preselection of ecotypes with greater resistance to water stress, which, when evaluated in real field conditions, the crops reached a good level of production and yield after the second year of crop establishment. On the other hand, it was evident that a pretreatment with high light intensity could generate a possible "memory" that allowed T. zygis to overcome an episode of severe drought; Therefore, light stress could be considered as a useful technology for the selection of red thyme ecotypes with greater resistance to drought.