Biotecnología Vegetal

Bioactive seaweed extracts as biostimulants of growth and protection of plants

RESUMEN Los extractos de algas marinas son ampliamente utilizados en la agricultura como bioestimulantes del crecimiento vegetal y constituyen una alternativa ecológica al consumo excesivo de productos agroquímicos sintéticos. Estos productos naturales son mezclas complejas de compuestos bioactivos tales como reguladores del crecimiento vegetal, polisacáridos, fenoles, aminoácidos, esteroles, betaínas, vitaminas, macro y microminerales. Su aplicación en la producción de diferentes cultivos genera un amplio espectro de respuestas positivas en el sistema planta-suelo. Sin embargo, el potencial bioestimulante de estas formulaciones no ha sido aprovechado al máximo debido al reducido conocimiento sobre sus mecanismos de acción en las plantas. Esta revisión tuvo como objetivo analizar las perspectivas de las algas marinas como uente de extractos bioactivos para la promoción del crecimiento vegetal y la protección de los cultivos. Se describen los principales compuestos con actividad biológica en los extractos de algas marinas y los métodos para su extracción. Además, se analizan los efectos horméticos de estos bioproductos en la germinación de las semillas, el desarrollo radical, el microbioma rizosférico, el rendimiento y calidad de los cultivos, la absorción y asimilación de nutrientes por las plantas, el metabolismo y la fisiología vegetal; así como en la mitigación del estrés abiótico y el manejo de plagas y enfermedades. Por último, se describen los metabolitos predominantes en los extractos de algas cubanas para el desarrollo de nuevos bioproductos con fines agrícolas.

ABSTRACT Seaweed extracts are widely used in agriculture as plant growth biostimulants and constitute an ecological alternative to the excessive consumption of synthetic agrochemicals. These bioproducts are complex mixtures of several bioactive compounds such as plant growth regulators, polysaccharides, phenols, amino acids, sterols, betaines, vitamins, macro and microminerals. Its application in the production of different crops generates a wide spectrum of positive responses in the soil-plant system. However, the biostimulatory potential of these formulations has not been fully exploited due to the limited knowledge about their mechanisms of action in plants. This review aims to analyze the perspectives of seaweed as a source of biactive extracts for the promotion of plant growth and crops protection. The main compounds with biological activity in seaweed extracts and the methods for their extraction are described. In addition, the hormetic effects of these bioproducts on seed germination, root-system development, rhizospheric microbiome, crop yield and quality, plant nutrient uptake and assimilation, plant metabolism and physiology are analyzed; as well as in the mitigation of abiotic stress and the management of pests and diseases. Finally, the predominant metabolites in Cuban seaweed extracts for the development of new bioproducts for agricultural purposes are described.

Callogenesis and rhizogenesis of Viola odorata L.

ABSTRACT Viola odorata L. is a medicinal plant and source of different secondary metabolites. It has been proven that callus culture can be used as an effective method for multiplication of medicinal plants. The aim of this paper was to develop a protocol for callogenesis and rhizogenesis in V. odorata. Petiole and leaf were used as explants for callogenesis. Significant callus induction was observed on MS medium supplemented with 2 mg l-1 2,4-D + 2 mg l-1 NAA+30 mg l-1 adenine sulphate. It was produced hard and embryogenic callus with white and greenish colour. The highest fresh weight of callus was obtained with 2.5 mg l-1 2,4-D + 2.5 mg l-1 BAP (8.093 g) and the lowest with 0.5 mg l-1 BAP (0.295 g). Besides, the highest dry weight of callus was achieved with 2 mg l-1 2,4-D +2 mg l-1 NAA+30 mg l-1 adenine sulphate (0.755 g) and the lowest with 0.5 mg l-1 TDZ (0.045 g). Roots from callus were induced using IAA and IBA. Maximum number of roots (10.60) and highest root length (2.92 cm) were recorded after 15 to 20 days in culture medium with 1.5 mg l-1 IBA. Present study reveals that this protocol could be used for in vitro callogenesis and rhizogenesis of V. odorata.

RESUMEN Viola odorata L. es una planta medicinal y fuente de diferentes metabolitos secundarios. Se ha demostrado que el cultivo de callos se puede utilizar como un método eficaz para la multiplicación de plantas medicinales. El objetivo de este trabajo fue desarrollar un protocolo para desarrollar callogénesis y rizogénesis en V. odorata. Se utilizaron pecíolos y hojas como explantes para la callogénesis. Se observó una inducción significativa de callos en el medio de cultivo MS con 2 mg l-1 2,4-D + 2 mg l-1 NAA + 30 mg l-1 adenina sulfato. Se produjeron callos duros y embriogénicos con color blanco y verdoso. La masa fresca más elevada de callo se obtuvo con 2.5 mg l-1 2,4-D + 2.5 mg l-1 BAP (8.093 g) y la más baja con 0.5 mg l-1 BAP (0.295 g). Además, la masa seca más alta se obtuvo en medio de cultivo con 2 mg l-1 2,4-D + 2 mg l-1 NAA + 30 mg l-1 de sulfato de adenina (0.755 g) y la más baja con 0.5 mg l-1 TDZ (0.045 g). La inducción de raíces del callo se produjo con el uso de AIA e AIB. El número máximo de raíces y la mayor longitud de raíz (2.920 cm) se registró después de 15 a 20 días con 1.5 mg l-1 de AIB. El presente estudio revela que este protocolo podría utilizarse para la callogénesis y rizogénesis in vitro de V. odorata L.

Cytogenotoxicity potential of Syzygium aromaticum extract, an alternative treatment for Chenopodium quinoa seed

ABSTRACT Chenopodium quinoa Willd (quinoa) is a pseudo cereal that has been gaining prominence in production in several regions, due to increased demand in the consumer market. In the search to reduce productivity losses caused by pathogens, this work aimed to evaluate the cytogenotoxic potential of aqueous extracts of Syzygium aromaticum L., a possible alternative treatment for quinoa seeds. The seeds were treated with extracts produced from S. aromaticum flowers buds at 2, 4, 6 and 8%. A water control was included. Germination, first germination count, germination speed index, emergence and sanity were evaluated. The design was completely randomized, composed of 100 seeds in five treatments. The incidence of fungi was quantified and subsequently, the cytogenotoxicity test was performed on Allium cepa. It was observed that the treatment of quinoa seeds with aqueous extract of S. aromaticum only affected germination and vigor at the highest concentration used (8%) and reduced the incidence of fungi. A negative effect on cell division was demonstrated but no genotoxic effect. Used at 4% (m / v) it could be an alternative for the treatment of quinoa seeds.

RESUMEN Chenopodium quinoa Willd (quinoa) es un pseudo cereal que ha ido ganando protagonismo productivo en varias regiones debido al aumento de la demanda del mercado de consumo. En la búsqueda de la reducción de las pérdidas de productividad causadas por patógenos, este trabajo tuvo como objetivo evaluar el potencial citogenotóxico de extractos acuosos de Syzygium aromaticum, posible tratamiento alternativo de semillas de quinua. Las semillas fueron tratadas con extractos producidos a partir de flores de S. aromaticum al 2, 4, 6 y 8%. Se incluyó un control con agua. Se evaluó la germinación, primer recuento de germinación, índice de velocidad de germinación, emergencia y sanidad. El diseño fue completamente aleatorizado, compuesto por 100 semillas en cinco tratamientos. Se cuantificó la incidencia de hongos y posteriormente, se realizó la prueba de citogenotoxicidad en Allium cepa. Se observó que el tratamiento de semillas de quinua con extracto acuoso de S. aromaticum solo afectó la germinación y el vigor a la mayor concentración empleada (8%) y redujo la incidencia de hongos. Se demostró un efecto negativo sobre la división celular pero no efecto genotóxico. Empleado al 4% (m/v) podría ser una alternativa para el tratamiento de semillas de quinoa.

Scale up Pseudomonas fluorescens-based biofertilizers production

RESUMEN En estudios previos se optimizó un medio de cultivo semisintético para la producción industrial de una cepa de Pseudomonas fluorescens promotora del crecimiento vegetal. Este trabajo se propuso desarrollar el escalado para la producción del biofertilizante. Se seleccionaron los criterios para el escalado teniendo en cuenta la no similitud geométrica de los fermentadores utilizados (42 y 500 litros). La efectividad técnica del bioproducto resultante se evaluó en formulación líquida sobre plantas in vitro de banano cv. Manzano (Musa AAA) en fase de aclimatización (inmersión de raíces 10, 15, 20 y 25 min) y en el cultivo de esquejes de Ipomoea batatas en campo aplicado al suelo a razón de 20 l ha-1. Los resultados demostraron que bajo las condiciones ensayadas se obtuvo crecimiento bacteriano con cinética similar en dos escalas. Las fermentaciones concluyeron a las 12 horas de iniciado el cultivo. Las plantas producidas in vitro de banano, respondieron mejor cuando las inmersiones en el biofertilizante ocurrieron durante 20 min. En el cultivo del boniato se obtuvo una respuesta positiva cuando se combinó con fertilizantes minerales y se logró una disminución del 25% de la dosis recomendada. La producción de un biofertilizante a base de Pseudomonas fluorescens puede llevarse a cabo en un fermentador de tanque agitado de 500 l (volumen efectivo de 350 l) durante 12 h con velocidad de agitación de 266 rpm y flujo de aire de 105 l min-1 lo cual garantiza una concentración de 1x109 UFC ml-1 y su efecto promotor del crecimiento en plantas.

ABSTRACT In previous studies, a semi-synthetic culture medium was optimized for the industrial production of a plant growth-promoting strain of Pseudomonas fluorescens. This work was proposed to develop the scale up for producing the biofertilizer. The criteria for scale up were selected taking into account the geometric non-similarity of the fermenters used (42 and 500 liters). The technical effectiveness of the resulting bioproduct was evaluated in liquid formulation on in vitro plants of banana cv. Manzano (Musa AAA) in the acclimatization stage (root immersion 10, 15, 20 and 25 min) and in the field cultivation of Ipomoea batatas applied to the soil at a rate of 20 l ha-1. The results showed that under the conditions tested, bacterial growth was obtained with similar kinetics on two scales. The fermentations concluded 12 hours after the start of the culture. The banana in vitro plants responded better when the immersions in the biofertilizer occurred for 20 min. In the cultivation of sweet potato a positive response was obtained when it was combined with mineral fertilizers and a reduction of 25% of the recommended dose was achieved. The production of a biofertilizer based on Pseudomonas fluorescens can be carried out in a 500 l stirred tank fermenter (effective volume 350 l) for 12 h with stirring speed of 266 rpm and air flow of 105 l min-1 which guarantees a concentration of 1x109 CFU ml-1 and its plant growth promotion effects.

Rhizosphere of three cultivars of Phaseolus vulgaris L. source of endospore-forming bacteria with biotechnological potential

RESUMEN Las Rizobacterias Promotoras del Crecimiento Vegetal constituyen una fuente promisoria de microorganismos, con capacidad para desarrollar nuevos bioplaguicidas que contribuyan al control de plagas, con una base agroecológica y sostenible. El presente trabajo tuvo como objetivo obtener aislados de bacilos formadores de endosporas con potencial biotecnológico a partir de la rizosfera de diferentes cultivares de frijol (Phaseolus vulgaris L.) de tres tipos de suelo. Se realizaron colectas de suelo rizosférico de tres cultivares de frijol presentes en los municipios Colón y Unión de Reyes, de la provincia de Matanzas, Cuba. Las muestras de suelo se cultivaron en Caldo Nutriente y posteriormente se eliminaron las células vegetativas con calor. Se realizaron diluciones seriadas y las muestras se inocularon en medio de cultivo Agar Nutriente. Se seleccionaron colonias bacterianas con diferencias morfológicas y células bacterianas Gram positivas y productoras de endosporas. Las potencialidades antagónicas de los aislados se evaluaron a través de la producción de enzimas líticas como proteasas, lipasas, celulasas, amilasas, quitinasas y/o β-glucanasas y la síntesis de cianuro de hidrógeno. Se conformó una colección de 141 aislados de bacilos Gram positivos formadores de endosporas. El 8% fueron productores de cianuro de hidrógeno, el 57.7% de proteasas, el 19.3% de lipasas, el 56.5% de quitinasas y/o β-glucanasas, el 28.5% de celulasas y el 33.3% de α-amilasas. Estos aislados tienen potencial biotecnológico con aplicación en los sectores agropecuario e industrial.

ABSTRACT Plant Growth Promoting Rhizobacteria constitute a promising source of microorganisms, with the capacity to develop new biopesticides that contribute to pest control, with an agroecological and sustainable basis. The objective of this work was to obtain isolates of endospore-forming bacilli with biotechnological potential from the rhizosphere of different cultivars of bean (Phaseolus vulgaris L.) from three types of soil. Rhizospheric soil collections were made from three bean cultivars present in the municipalities of Colón and Unión de Reyes, in the province of Matanzas, Cuba. The soil samples were grown in Nutrient Broth and the vegetative cells were subsequently removed with heat. Serial dilutions were made and the samples were inoculated in Nutrient Agar culture medium. Bacterial colonies with morphological differences and Gram-positive and endospore-producing bacterial cells were selected. The antagonistic potentialities of the isolates were evaluated through the production of lytic enzymes such as proteases, lipases, cellulases, amylases, chitinases and / or β-glucanases and the synthesis of hydrogen cyanide. A collection of 141 isolates of endospore-forming Gram positive bacilli was made. The 8% of isolates were producers of hydrogen cyanide, 57.7% of proteases, 19.3% of lipases, 56.5% of chitinases and / or β-glucanases, 28.5% of cellulases and 33.3% of α-amylases. These isolates have biotechnological potential with application in the agricultural and industrial sectors.

Analysis of the genetic diversity of Physalis peruviana L. from three regions of Peru, using microsatellite markers

RESUMEN Physalis peruviana L. es una planta nativa de la región Andina, que pertenece a la familia Solanaceae. La demanda internacional de P. peruviana ha aumentado en los últimos años debido a sus valores medicinales y nutricionales. Sin embargo, los estudios sobre la diversidad genética de este fitorecurso en Perú son escasos. En este contexto, el objetivo de este trabajo fue determinar la diversidad genética mediante cinco marcadores microsatélites (SSR) (SSR11, SSR138, SSR15, SSR123 y SSR146) en tres poblaciones cultivadas procedentes de Ayacucho (2 761 msnm), Cajamarca (2 750 msnm) y La Libertad (3 099 msnm). Se encontró un valor medio de Fst = 0.307, además el AMOVA indicó que el mayor porcentaje de variación se encontraba dentro de los individuos (74.5%) y solo un 25.5% entre las poblaciones. Por otro lado, se encontró un valor medio de He=0.722 y los valores PIC encontrados para cada marcador fueron 0.567 para SSR146, 0.603 para SSR138, 0.656 para SSR11, 0.707 para SSR15 y 0.845 para SSR123. Los valores Fst mostraron una alta diferencia genética y el análisis de varianza molecular mostró un bajo porcentaje de variación entre las poblaciones, lo cual evidenció una misma unidad genética, no estructurada.

ABSTRACT Physalis peruviana L. is a native plant from the Andean region and belongs to the Solanaceae family. The international demand of P. peruviana has increased in recent years due to its medical and nutritional values. However, there are not enough studies on its genetic diversity in Perú. In this scenario, the objective of this work is to determine the genetic diversity of three cultivated populations from Ayacucho (2 761 masl), Cajamarca (2 750 masl), and La Libertad (3 099 masl) using five microsatellite (SSR) markers (SSR11, SSR138, SSR15, SSR123 and SSR146). A mean value of Fst = 0.307 was found, in addition the AMOVA indicated that the highest percentage of variation was found within individuals (74.5%) and only 25.5% among populations. On the other hand, a mean value of He = 0.722 was found and the PIC values for each marker were 0.567 for SSR146, 0.603 for SSR138, 0.656 for SSR11, 0.707 for SSR15 and 0.845 for SSR123. The Fst values showed a great genetic difference and the AMOVA test showed a low percentage of variation among populations, which shows the same unstructured genetic unit.

Effect of silver nitrate on the in vitro germination of Euphorbia nutans Lag.

RESUMEN Euphorbia nutans Lag. es una planta herbácea que se encuentra en la Mixteca Poblana, México. Se considera una maleza, no se cultiva y se ignora su uso medicinal para tratar problemas gástricos y cicatrizar heridas. Esta situación puede causar su pérdida de la región. Además, presenta dificultades para su establecimiento in vitro mediante tejidos vegetales y semilla. Por ello, el objetivo de este trabajo fue determinar el efecto del nitrato de plata (AgNO3) en la germinación in vitro de semillas de E. nutans en combinación con factores como la posición de semillas en el medio de cultivo, las condiciones de iluminación y el uso de reguladores del crecimiento. Se empleó el medio de cultivo MS para comparar tres posiciones de semillas, condiciones de iluminación: (16/8 h) y obscuridad, y 1.0 mg l-1 de BA, AG3 y AIA. Los resultados mostraron que la germinación de las semillas se ve parcialmente favorecida dependiendo del regulador del crecimiento o de la iluminación. Sin embargo, en todos los casos, la germinación fue superior con AgNO3, con el 100% de semillas germinadas desde la primera semana de cultivo. Las plántulas, alcanzaron la altura del recipiente en tres semanas de cultivo con diferencia significativa con los tratamientos sin AgNO3. El nitrato de plata juega un papel primordial en la germinación in vitro de semillas de E. nutans y en el crecimiento de las plántulas obtenidas. Este es el primer trabajo sobre el manejo in vitro de E. nutans.

ABSTRACT Euphorbia nutans Lag. it is a herbaceous plant found in the Mixteca Poblana, Mexico. It is considered a weed, it is not cultivated and its medicinal use to treat gastric problems and heal wounds is ignored. This situation can cause your loss of the region. In addition, it presents difficulties to in vitro establish from plant tissues and seeds. Therefore, the objective of this work was to determine the effect of silver nitrate (AgNO3) on the in vitro germination of E. nutans seeds in combination with factors such as the position of the seeds in the culture medium, lighting conditions and the use of growth regulators. The MS culture medium was used to compare three seed positions, lighting conditions: (16/8 h) and darkness, and 1.0 mg l-1 of BA, AG3 and AIA. The results showed that the germination of the seeds is partially favored depending on the growth regulator or lighting. However, in all cases, germination was higher with AgNO3, with 100% of seeds germinated from the first week of culture. The seedlings reached the height of the container in three weeks of culture with a significant difference with the treatments without AgNO3. Silver nitrate plays an essential role in the in vitro germination of E. nutans seeds and in the growth of the seedlings obtained. This is the first work on the in vitro management of E. nutans.

Differential response of three Phaseolus vulgaris L. cultivars to in vitro water stress induced by PEG-6000

RESUMEN El crecimiento y rendimiento agrícola de frijol común (Phaseolus vulgaris L.) se ve afectado, entre otros factores, por limitaciones en la disponibilidad de agua. Por ello, se trabaja en la búsqueda de cultivares tolerantes a dicho estrés abiótico. La investigación tuvo como objetivo determinar el efecto de diferentes concentraciones de PEG-6000 en la germinación in vitro de semillas de tres cultivares de frijol común (ʹIca Pijaoʹ, ʹBAT-93ʹ y ʹTío Canela-75ʹ) con diferente respuesta al estrés hídrico. Se empleó PEG-6000 como agente inductor de estrés in vitro al 10, 12 y 14% (m/v) en el medio de cultivo líquido. Como control se utilizó agua desionizada. Semillas de cada cultivar se colocaron sobre un papel de filtro ubicado en forma de M dentro del tubo de ensayo que contenía la solución correspondiente. A los tres días de cultivo se cuantificó el número de semillas germinadas y se calculó el porcentaje de germinación. Posteriormente, a los siete días se midió la longitud de la raíz, del hipocótilo y del epicótilo, respectivamente. En los tres cultivares el estrés hídrico afectó la germinación in vitro de las semillas en cada uno de los tratamientos. Se evidenció una disminución significativa en los valores de las variables evaluadas con respecto al control. Específicamente, el crecimiento del epicótilo se inhibió. La respuesta al estrés hídrico inducido in vitro con PEG 600 en cada cultivar fue específica y diferencial. Los resultados tributan al desarrollo de estrategias de selección temprana en el programa de mejoramiento genético del cultivo.

ABSTRACT The growth and agricultural yield of common beans (Phaseolus vulgaris L.) is affected, among other factors, by limitations in the availability of water. For this reason, there are working on the search for cultivars tolerant to that abiotic stress. The objective of the research was to determine the effect of different concentrations of PEG-6000 on the in vitro seeds germination of three cultivars of common bean (ʹIca Pijaoʹʹ, ʹBAT-93ʹ and ʹTío Canela-75ʹ) with different responses to water stress. PEG-6000 was used as an in vitro stress-inducing agent at 10, 12 and 14% (m / v) in the liquid culture medium. Deionized water was used as a control. Seeds of each cultivar were placed on a filter paper located in the shape of an M inside the test tube containing the corresponding solution. After three days of culture, the number of germinated seeds was quantified and the percentage of germination was calculated. Subsequently, at seven days the length of the root, hypocotyl and epicotyl, respectively, was measured. In the three cultivars, water stress affected the in vitro germination of the seeds in each of the treatments. There was a significant decrease in the values of the variables evaluated with respect to the control. Specifically, the growth of epicotyl was inhibited. The response to water stress in vitro induced with PEG 600 in each cultivar was specific and differential. The results contribute to the development of early selection strategies in the genetic improvement program of this crop.