Cebado de Citrullus lanatus var. Las semillas de Colocynthoides en extracto de algas mejoraron la germinación de las semillas, el crecimiento de las plantas y el rendimiento en condiciones de salinidad.

Dec 20, 2023

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 11884 (2023) Citar este artículo

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Citrullus lanatus var. Colocynthoide “Gurum” es un cultivo no convencional que puede utilizarse como nueva fuente de aceite comestible y tiene la capacidad de crecer en una variedad de condiciones adversas. Para mitigar los efectos adversos de la salinidad sobre la germinación de las semillas y el rendimiento de las plantas de C. lanatus, las semillas se imprimaron con extractos acuosos del alga Ulva lactuca antes de plantarlas en condiciones de invernadero. El extracto acuoso de U. lactuca al 8% p/v condujo a un porcentaje máximo de germinación de semillas y crecimiento de plántulas de C. lanatus. Además, el extracto de U. lactuca contrarrestó los efectos negativos del estrés salino en la planta al aumentar significativamente la actividad de SOD, CAT y POD. Los componentes bioactivos de U. lactuca, por ejemplo, la glicina betaína y los compuestos fenólicos, pueden explicar el papel beneficioso del extracto de algas en C. lanatus. Por lo tanto, la preparación de semillas de C. lanatus en extracto de U. lactuca con diversas concentraciones de extracto de U. lactuca puede emplearse como una práctica efectiva para una germinación exitosa de las semillas, un mejor crecimiento de las plantas y una mayor resistencia a la sal, probablemente como resultado de una mayor actividad de las enzimas antioxidantes. y pigmentos fotosintéticos.

La salinidad es uno de los problemas agrícolas más extendidos en todo el mundo y que puede limitar gravemente la producción de cultivos1,2. Se estima que hasta el 20% de las tierras irrigadas en todo el mundo se ven afectadas en diferentes grados por la salinidad3, mientras que el 2,1% de las tierras áridas sufren estrés salino, y el problema se está agravando4. El estrés salino disminuye el crecimiento de las plantas al afectar negativamente a diversos procesos fisiológicos y bioquímicos5. El estrés salino disminuye la tasa de fotosíntesis con una reducción significativa en el contenido de clorofila que eventualmente resultó en una reducción del rendimiento del girasol6. Uno de los cambios fisiológicos que ocurren cuando las plantas están expuestas a condiciones de estrés es la mayor producción de especies reactivas de oxígeno (ROS)7. El exceso de iones de sal puede ejercer efectos peligrosos como toxicidad iónica, estrés osmótico y desequilibrio nutricional8,9, que eventualmente conducen a una disminución del crecimiento y el rendimiento10. Para hacer frente al estrés por salinidad, las plantas experimentan una mayor actividad de las enzimas antioxidantes11.

La germinación de las semillas es una fase de desarrollo crítica en el ciclo de vida de las plantas12 y es un factor limitante importante para el establecimiento de plantas en condiciones de salinidad13. El estrés salino afecta el porcentaje y la tasa de germinación, así como el posterior crecimiento de las plántulas de diferentes maneras dependiendo de la especie de planta14. El impacto del estrés que surge de más de una sal en la germinación de las semillas es menos severo que el que surge de una sola sal15,16. Para superar el impacto del estrés salino en el crecimiento y rendimiento de las plantas, la preparación de semillas puede ser una técnica eficiente y económica durante las primeras etapas de la vida de las plantas17,18. El priming de semillas es un proceso en el que las semillas se hidratan en diferentes soluciones de compuestos naturales o sintéticos17. Los extractos de algas tienen efectos primarios que pueden aumentar la germinación de las semillas y el crecimiento de las plantas bajo el impacto de la salinidad y otros estreses abióticos19,20.

Las algas son ricas en componentes biológicamente activos, que tienen el potencial de usarse como agentes limpiadores del suelo, biofertilizantes, promotores del crecimiento de las plantas y pueden ayudar en la limpieza del suelo y; fertilización y agentes protectores de plantas frente a factores de estrés bióticos y abióticos20,21,22. Debido a su abundante contenido de bioestimulantes, las algas se han empleado para mejorar el rendimiento de las plantas y la resistencia al estrés ambiental debido a sus abundantes productos químicos bioestimulantes, el rendimiento de las plantas y la tolerancia al estrés ambiental23. Los compuestos bioactivos derivados de algas marinas se han utilizado recientemente como biofertilizantes para cultivos con el fin de aumentar la magnitud y el rendimiento y la calidad de los cultivos agrícolas y hortícolas, minimizando al mismo tiempo los impactos ambientales24. Los extractos de algas marinas contienen una variedad de hormonas de crecimiento, polisacáridos y macro y micronutrientes25. El extracto del alga Ulva rígida mejoró la resistencia al estrés salino y protegió a las plantas del daño oxidativo derivado del estrés abiótico23,26.

Citrullus lanatus var. Colocynthoides (Gurum), familia de las Cucurbitáceas, conocida localmente como semilla de sandía o “Gorma”, es un cultivo forrajero y oleaginoso prometedor en Egipto. El follaje de la planta se utiliza como alimento para animales y sus semillas han sido investigadas como una fuente alternativa de aceite vegetal27 y como una nueva fuente de pectina de alta calidad para uso comercial28. Sin embargo, la germinación de las semillas y el crecimiento de las plantas de C. lanatus se ven afectados negativamente por la salinidad. Mientras tanto, el uso de productos químicos sintéticos como agentes primarios para semillas en condiciones de estrés genera importantes preocupaciones ambientales negativas. Por lo tanto, este trabajo se lleva a cabo para superar los efectos negativos de la salinidad en la germinación y el crecimiento de las semillas de C. lanatus mediante la preparación de semillas en extractos de algas. El estudio planteó la hipótesis de que la imprimación de C. lanatus en extractos del alga Ulva lactuca podría mejorar la germinación de las semillas y el crecimiento de las plantas bajo el impacto de la salinidad, probablemente mediante el aumento del contenido de pigmentos fotosintéticos, antioxidantes y otros componentes bioactivos.

Se recolectaron hojas de U. lactuca L. de la zona costera del Mar Rojo, cerca de Hurghada, Egipto, en enero de 2021, y se lavaron con agua del grifo para eliminar cualquier residuo de sal u otras impurezas. Luego, las muestras se secaron y se molieron hasta obtener un polvo fino con un molino Wiley y se mantuvieron en bolsas de papel a temperatura ambiente hasta su uso. Citrullus lanatus var. Las semillas de Colocynthoides fueron proporcionadas amablemente por el Centro de Investigación Agrícola (ARC), Giza, Egipto.

Los azúcares solubles se extrajeron de las hojas de U. lactuca según el método adoptado por Upmeyer y Koller29. Para estimar los azúcares insolubles, el residuo que quedó después de la extracción de los azúcares solubles se hidrolizó a reflujo en H2SO4 0,2 N en un baño de agua hirviendo durante 1 h30. Las fracciones de carbohidratos se determinaron mediante el método de la antrona31. El contenido de lípidos de las algas se estimó extrayendo una alícuota de 3 g de las hojas en polvo en éter de petróleo durante 6 h en el sistema Soxhlet según AOAC40, y se continuó la extracción utilizando como solvente32. El contenido de proteínas solubles del alga se determinó según el método de Lowry et al.33, mientras que el contenido de proteínas totales se calculó multiplicando el contenido de nitrógeno Kjeldahl34 por 6,25. El ensayo de glicina betaína (GB) se llevó a cabo según el método de Gorham35. Brevemente, el extracto de hoja se preparó cortando 0,5 g de hojas en 5 ml de una mezcla de tolueno y agua (0,05 % de tolueno). El contenido se agitó durante 24 h a 25 °C. Después de la filtración, se mezclaron 0,5 ml del extracto con 1 ml de HCl 2 N y 0,1 ml de solución de triyoduro de potasio (que contenía 7,5 g de yodo y 10 g de yoduro de potasio en 100 ml de HCl 1 N) y la mezcla se agitó en un baño de agua helada durante 90 min y luego se agregaron 2 ml de agua enfriada con hielo. Después de agitar suavemente, se vertieron 10 ml de diclorometano (enfriado a -10 °C) en la mezcla anterior. Al pasar una corriente continua de aire durante 1 a 2 minutos, se separaron dos capas, se descartó la capa acuosa superior y se registró la absorbancia de la capa orgánica a 365 nm. La concentración de GB se estimó utilizando una curva estándar de GB en el rango de 0 a 15 mg.

La detección de metabolitos secundarios (flavonoides, fenólicos, alcaloides, saponinas, taninos y terpenoides) en extracto acuoso de U. lactuca se realizó mediante el método de Sofowora36.

El contenido fenólico de U. latuca se determinó utilizando un sistema HPLC Agilent-1100 equipado con una unidad de bomba de gradiente cuaternario, un detector ultravioleta (UV) a 320 nm y una columna analítica Zorbax Eclipse XDB-C18 (Agilent, EE. UU.) de 150 × 406 mm, tamaño de partícula de 5 µm. La elución se realizó a un caudal de 0,075 ml min-1 a 23 °C. La fase móvil constaba de 8% de acetonitrilo, 22% de alcohol isopropílico y 70% de solución de ácido fórmico (1%). Todos los estándares y muestras disueltos se filtraron a través de un filtro de jeringa de 0,22 μm antes del análisis por HPLC. Los extractos acuosos de algas se congelaron a -20 °C durante 24 h antes de secarlos en un secador de friso, y los residuos se disolvieron en metanol (grado HPLC) antes de inyectarlos en la HPLC; el volumen de inyección fue de 20 µl. La identificación de compuestos fenólicos se realizó comparando los tiempos de retención relativos de los picos de la muestra con los de los estándares de referencia.

Se extrajeron cien gramos de polvo de U. lactuca sumergiéndolos en 1000 ml de agua destilada durante 24 h, agitando con un agitador orbital a 25 °C; Luego la mezcla se centrifugó a 5000 rpm durante 20 minutos para eliminar los residuos. El extracto se filtró a través de papel de filtro Whatman No. 4 y el volumen final se completó a 1 L con agua destilada para obtener el extracto madre (10% p/v). El extracto resultante se almacenó a -4 °C hasta su uso.

El experimento se llevó a cabo durante 2021/2022 en la Facultad de Ciencias de la Universidad Al-Azhar (rama femenina), Egipto. Se llenaron macetas de plástico (20 cm de diámetro y 20 cm de altura) con 3 kg de una mezcla de arcilla/arena (1:1) con la adición de las dosis recomendadas de fertilizantes de sulfato de amonio, nitrato de amonio y sulfato de potasio antes de la siembra. El análisis químico de la mezcla de suelo experimental se realizó al inicio y al final del experimento. Los extractos de suelo-agua se prepararon remojando 100 g de suelo en 500 ml de agua destilada en una proporción de 1:5, el extracto de suelo y el filtrado se utilizaron para el análisis mineral37. El análisis químico del suelo reveló las siguientes características: pH (7,82–8,27), CE (0,36–0,56 dS m−1) y contenido de minerales (meq L−1): Ca2+ (12,455–13,23), Mg2+ (4,165–13,27). , Na+ (26,63–36,44), K+ (2,32–2,62), CO32− (98,86–68,48), HCO3− (779–752), S (2,21–2,42) y Cl− (12,16–15,25) para el pre y muestras de suelo post-cultivo, respectivamente; la capacidad de retención de agua fue de hasta el 13,0%38.

Se sembraron veinte semillas de C. lanatus en cada maceta y se sembraron en abril después de remojar durante 6 h en extractos de U. lactuca en cuatro concentraciones (0, 3, 5 y 8%), las macetas se regaron con cuatro niveles de salinidad (0,100 , 200 y 300 mM NaCl) cada 7 días hasta el final del experimento. Después de la emergencia completa (10 días), se contó el número de plántulas39 y las plántulas se adelgazaron secuencialmente a cinco por maceta durante los cinco días siguientes. Las macetas se dispusieron en un diseño de bloques completos al azar con tres repeticiones en invernadero a 34 °C en promedio con 16 h de luz y 8 h de oscuridad.

Se tomaron tres muestras de plantas representativas de cada tratamiento para medir los rasgos de crecimiento después de 45 días de crecimiento: se midieron la longitud de los brotes (cm), la longitud de las raíces (cm) y el número de ramas; El área foliar (cm2) se midió utilizando un medidor de área foliar (SYSTRONICS Leaf Area Meter-211). Los pigmentos fotosintéticos (clorofila a [Chl a], clorofila b [Chl b] y carotenoides [C(x + c)] se determinaron cuantitativamente espectrofotométricamente según el procedimiento adoptado por Metzner et al.40 y Abbas41. Una alícuota del fresco Se homogeneizó tejido foliar (0,5 g) en un mortero con 10 mL de acetona al 80%, el homogeneizado se centrifugó a 3000 rpm durante 15 min a temperatura ambiente y el sobrenadante se almacenó a 4 °C, se midió la absorbancia del extracto. a 645, 663 y 480 nm usando un espectrofotómetro (VEB Carl Zeiss) La clorofila a, clorofila b y carotenoides se determinaron como µg g−1 de peso fresco de hoja usando las siguientes ecuaciones:

Las concentraciones de clorofilas y carotenoides se expresaron como mg g-1 de peso fresco (FW) de material vegetal.

Una alícuota de hojas frescas (0,5 g) se homogeneizó en nitrógeno líquido con la adición de 5 ml de 0,2 mol L-1 de solución tampón de fosfato de sodio (pH 7,8). Los homogeneizados se centrifugaron durante 20 minutos a 4 °C y los sobrenadantes se utilizaron inmediatamente para determinar la actividad enzimática. El contenido de proteína soluble total de las hojas se determinó según el procedimiento de Bradford y Williams42. La actividad de la superóxido dismutasa (SOD) se analizó en términos del grado de inhibición de la reducción fotoquímica del cloruro de p-nitro azul de tetrazolio (NBT)43. La actividad catalasa (CAT) se determinó en función de la tasa de desaparición de H2O2, medida por la disminución de la absorbancia a 240 nm44. La actividad peroxidasa (POD) se calculó a partir de la tasa de formación del producto de deshidrogenación del guayacol y se expresó como mmol de GDHP min-1 mg-1 de proteína45.

Los datos se sometieron a ANOVA de dos vías según Snedecor y Cochran46 utilizando SPSS ver. 26,0, y considerando p < 0,05 como nivel significativo. El HSD de Tukey se utiliza para probar la significancia de las diferencias entre las medias de las muestras. La correlación de Spearman se realizó mediante Sigmaplot 12.5 para evaluar los efectos de las algas y la salinidad en la germinación, el crecimiento de las plántulas y el rendimiento de las plantas.

Todos los pasos de la experimentación sobre C. lanatus var. Las plantas colocynthoide, incluida la recolección de material vegetal, cumplen con las directrices institucionales, nacionales e internacionales pertinentes. Los estudios de invernadero se realizaron de acuerdo con la legislación local y con los permisos de nuestros institutos y cumplieron con la Declaración de Política de la UICN.

Los resultados de los análisis bioquímicos de las hojas de U. lactuca indican que la biomasa de algas contenía (en base a peso seco): 0,93 mg g-1 de carbohidratos totales, 3,01 mg g-1 de lípidos y 3,21 mg g-1 de proteínas, además de Contenido apreciable de glicina betaína (5,13 mg g-1) y fenólicos totales (0,0188 mg g-1). Este resultado concuerda con Latique et al.47 quienes encontraron que el extracto de Ulva rígida es rico en azúcares solubles, polifenoles y proteínas que podrían ser necesarios para la estimulación de enzimas antioxidantes. La glicina betaína es una molécula osmorreguladora que permite a las células vegetales hacer frente al estrés salino48.

El extracto acuoso de U. lactuca contenía un contenido apreciable de saponinas, alcaloides y taninos junto con un alto contenido de flavonoides y fenólicos, pero carece de terpenos. Por lo tanto, el alto contenido de fenólicos y flavonoides del extracto de U. lactuca puede explicar su alta eficacia en la mejora de C. lanatus y el alivio del impacto del estrés salino.

Se identificaron nueve compuestos libres en el extracto acuoso de U. lactuca (Tabla 1) mediante cromatografía líquida de alta resolución (HPLC) de fase inversa. Estos compuestos se identificaron en función de sus tiempos de retención relativos. El ácido ascórbico y el ácido cumárico ascendieron a aproximadamente 48,59 y 36,23 µg g-1 DW, respectivamente, y fueron los dos componentes principales del extracto de U. lactuca. Los ácidos cafeico, ferúlico, protocatequiico y pirogálico y el resorcinol registraron cantidades moderadas de 29,3, 19,67, 25,92, 19,72 y 25,3 µg g-1 PS, respectivamente. Pero los ácidos clorogénico y salicílico se detectaron en cantidades relativamente bajas de 15,33 y 16,97% μg g-1 DW, respectivamente. Se ha informado que el extracto metanólico de U. lactuca contiene fenólicos, flavonoides, alcaloides y taninos49. Los fenólicos se identifican como el grupo más grande que puede causar un efecto electrolítico estabilizado, ya que las sustancias son solubles en agua50. Las fitohormonas, aminoácidos, polifenoles, carbohidratos, alginatos, macro y micronutrientes esenciales, betaínas y vitaminas se encuentran entre los compuestos fisiológicamente activos que se encuentran en los extractos de algas marinas y que estimulan el crecimiento y desarrollo de las plantas28. Klejdus et al.51 y Kovacik et al.52 quienes encontraron una variedad de compuestos fenólicos en las algas. Las algas son ricas en componentes biológicamente activos como compuestos fenólicos, polisacáridos, sustancias similares a hormonas y proteínas53.

La Figura 1 muestra que la preparación de semillas de C. lanatus en extractos de U. lactuca mejoró significativamente la germinación de las semillas, y el aumento fue más evidente a alta salinidad. El aumento de la concentración de extracto de algas durante la preparación de 0 a 0,8 % aumentó. Porcentaje de germinación de semillas de C. lanatus en 24,5%, 53,9%, 61,3% y 66,7% a salinidad de NaCl 0,0, 100, 200 y 300 mM, respectivamente. El aumento de la salinidad del NaCl redujo la germinación de las semillas y la magnitud de la reducción difirió según la concentración del extracto de algas cebado. Mientras que el aumento de la salinidad de 0 a 300 mM de NaCl condujo a una reducción progresiva del 20,3% en la germinación de las semillas en ausencia de extracto de algas, las reducciones fueron relativamente leves y ascendieron al 80,3%, 65,0%, 60,0 y 60,0% a 3%, 5% y 8%. % de extracto de algas, respectivamente. La germinación en C. lanatus se vio afectada significativamente por las concentraciones de algas (F = 44.73, p < 0.000) y las concentraciones de sal (F = 14.07, p < 0.000), mientras que hubo interacción entre las concentraciones de algas y las concentraciones de sal (F = 6.25, p < 0,02) (Tabla 2). El estrés salino presenta una amenaza para la germinación, los parámetros de crecimiento y los materiales foto/biosintéticos de C. lanatus. Por lo tanto, los extractos de algas de U. lactuca se pueden utilizar como prácticas de preparación para promover el cultivo de C. lanatus bajo estrés salino. Las semillas generalmente se sumergen en una solución osmótica que les permite absorber agua y pasar por las primeras etapas de germinación54. El pretratamiento de semillas con extracto de algas que contiene sustancias bioactivas puede estimular el proceso metabólico en semillas de C. lanatus bajo el impacto del estrés salino. El remojo previo de las semillas puede estimular las actividades de las enzimas antioxidantes que desempeñan un papel vital en la resistencia de C. lanatus contra el estrés salino. El efecto beneficioso del extracto de algas en la mejora del porcentaje de germinación de las semillas y el posterior crecimiento de las plantas de C. lanatus bajo el impacto de la salinidad se puede atribuir a su efecto sobre la permeabilidad de la superficie de las semillas a las sales y a su contenido de componentes bioactivos en el extracto de U. lactuca. de glicina betaína y fenólicos y ácido ascórbico podrían potencialmente participar en el alivio del estrés salino. Por lo tanto, la preparación de semillas de C. lanatus con extracto de U. lactuca podría inducir muchos cambios fisiológicos y bioquímicos que pueden estimular la germinación más rápida de las semillas y aumentar el porcentaje de germinación de C. lanatus. Los extractos de algas aumentan la germinación de las semillas y el crecimiento de las plántulas en varias plantas y alivian el impacto del estrés biótico55,56,57,58 y la producción de frutos59.

Efecto del extracto acuoso de U. lactuca (UL) sobre la germinación de semillas de C. lanatus. El valor de cada columna es la media de tres/cinco replicaciones ± SE. Medias con la misma letra no son significativamente diferentes (p < 0,05.

La longitud de los brotes, la longitud de las raíces, el número de ramas y el área foliar de C. lanatus aumentaron significativamente con la imprimación en extracto de U. lactuca bajo varios niveles de cloruro de sodio en comparación con sus controles (sin sal ni extracto). La Figura 2 muestra que la imprimación de semillas de C. lanatus en extractos de U. lactuca al 0,8 % mejoró significativamente C. lanatus en 42,25 %, 53,14 %, 70,80 % y 100,0 % (longitud de los brotes), 143,90 %, 169,16 %, 210,0 % y 265,38 % (longitud de la raíz), 100,0%, 75,0%, 133,33% y 300,0% (número de ramas), 87,50%, 111,11%, 22,8% y 140,0% (área foliar) a 0,0, 100, 200 a 0,0, 100, 200 y salinidad de NaCl 300 mM, respectivamente. Mientras que el aumento de la salinidad condujo a una reducción progresiva del 30,28%, 36,58%, 50,0% y 41,56% en la longitud de los brotes, la longitud de las raíces, el número de ramas y el área foliar de 0 a 300 mM de NaCl en ausencia de extracto de algas. Las reducciones fueron relativamente leves y ascendieron a 15,85%, 20,42% y 30,2% (longitud de los brotes), 18,53%, 26,82% y 36,58% (longitud de las raíces), 0,0%, 25,0% y 50,0% (número de ramas). , 29,68%, 30,78% y 41,56% (área foliar) con 3%, 5% y 8% de extracto de algas, respectivamente. Los rasgos en C. lanatus de longitud de los brotes se vieron afectados significativamente por las concentraciones de algas (F = 27,27, p < 0,000) y las concentraciones de sal (F = 16,05, p < 0,000), la longitud de las raíces por las concentraciones de sal (F = 18,015, p < 0,000 ), número de ramas por concentraciones de algas (F = 6.06.575, p < 0.02) y por concentraciones de sal (F = 5.7, p < 0.00) y áreas foliares por concentraciones de algas (F = 17.54, p < 0.0000) y concentraciones de sal (F = 11,64, p < 0,0000) (Fig. 2, Tabla 2). El mayor incremento en la longitud de los brotes se obtuvo del extracto de U. lactuca a una concentración del 8% para alcanzar aproximadamente 42,25, 53,14, 70,80 y 100,0%, de NaCl 0, 100, 200 y 300 mM, respectivamente. El mayor incremento se logró al 8% de la longitud de la raíz alcanzando alrededor de 143,9, 169,16, 210,0 y 265,38%, de NaCl 0, 100, 200 y 300 mM, respectivamente. El uso de extracto de U. lactuca al 8% aumentó significativamente el número total de ramas por planta para dar alrededor de 100,0, 75,0, 133,3 y 300,0%, de 0, 100, 200 y 300 mM de NaCl, respectivamente. El área foliar aumentó significativamente con la aplicación de extracto de U. lactuca, y el mayor incremento se alcanzó con un 8% de extracto de algas para dar alrededor de 87,5, 111,1, 122,8 y 186,1%, con todos los niveles de NaCl de 0,100, 200 y 300 mM. respectivamente.

Efecto del extracto acuoso de U. lactuca (UL) sobre el crecimiento de C. lanatus. (A) Longitud del brote, (B) longitud de la raíz, (C) número de ramas, (D) área de la hoja. El valor de cada columna es la media de tres/cinco replicaciones ± SE. Medias con la misma letra no son significativamente diferentes (p < 0,05).

La preparación de semillas de C. lanatus en extracto acuoso de U. lactuca mejoró significativamente el crecimiento de las plantas y los pigmentos fotosintéticos bajo el impacto de la salinidad. Se ha informado que la longitud de los brotes, la longitud de las raíces y el área de las hojas, así como el contenido de pigmentos fotosintéticos, aumentan en las plantas salinizadas en respuesta al remojo previo de las semillas en extracto de Ulva fasciata60,61. El efecto beneficioso de las semillas de tomate cherry preparadas en el extracto de Ulva flexuosa podría atribuirse a la alta concentración de glicina betaína en el extracto de algas62. En apoyo de esta afirmación, la aplicación exógena de glicina betaína aumentó significativamente la altura de la planta y el número de hojas de plántulas de Dalbergia odorifera en condiciones de salinidad leve y severa63.

Los efectos de la salinidad y la preparación de algas sobre los pigmentos fotosintéticos de las hojas de C. lanatus fueron sustanciales (Tabla 3), con un efecto relativamente más fuerte de la salinidad que la preparación de algas y una interacción muy significativa, excepto la interacción no significativa sobre el contenido de carotenoides. El contenido de clorofila a, clorofila b y carotenoides aumentó progresivamente al aumentar la concentración de extracto de U. lactuca. El aumento de clorofila a, clorofila by carotenoides con un extracto acuoso de algas al 8% ascendió a 469%, 918% y 961%, respectivamente, por encima del control no tratado (Fig. 3). Nuestros resultados concuerdan con los de Ahmed et al.64, quienes encontraron que el contenido de clorofilas ayb y carotenoides en las hojas de algodón mejoró significativamente con el extracto de algas en comparación con el control. La aplicación de extracto de U. rigida a plantas de trigo en condiciones de estrés salino condujo a un aumento significativo de Chl total (T-Chl), Chl-a y Chl-b65,78. Los pigmentos de las hojas son un atributo fisiológico importante que está directamente relacionado con el proceso de fotosíntesis bajo diversas condiciones ambientales66. Este aumento en el contenido de clorofila podría ser el resultado de la protección de la clorofila contra la degradación que podría ser atribuible a las betaínas del extracto de algas67. Los extractos de algas marinas en virtud de su alto contenido mineral, particularmente magnesio, pueden aumentar la concentración de clorofila y carotenoides de las hojas68. La aplicación de extractos de Chlorella liposies y Spirolina maxima a plantas de trigo sometidas a estrés salino provocó un aumento significativo en el contenido de Chl-a y Chl-b69,70,71. La aplicación de extractos de Ulva fasciata aumentó significativamente la producción de pigmentos fotosintéticos y de crecimiento de Vigna sinensis y Zea mays en condiciones de estrés salino72.

( a – c ) Pigmentos fotosintéticos (mg g −1 FW) de C. lanatus (UL) afectados por diferentes concentraciones de extracto de algas. Medias con la misma letra no son significativamente diferentes entre sí (p 0,05 ANOVA).

Los resultados en las figuras 4a a c revelaron que el extracto de algas al 3%, 5% y 8% indujo significativamente actividades de SOD, CAT y POD bajo los niveles de sal probados. La actividad máxima de SOD, CAT y POD se registró con un 8% de extracto de algas con 10,23, 8,08 y 22,5 µg-1 de proteína, respectivamente. Los valores crecientes al 8% de extracto de algas fueron 98,51, 84,63, 86,59 y 78,85% (SOD), 191,64, 131,01, 58,43 y 39,39% (CAT) y 68,62, 51,0, 36,94 y 34,71% (POD), en niveles de NaCl de 0,100, 200 y 300 mM respectivamente en comparación con el control. La actividad de SOD de C. lanatus se vio afectada significativamente por las concentraciones de algas (F = 6.22, p < 0.02) y las concentraciones de sal (F = 11.51, p < 0.000), mientras que hubo una interacción entre las concentraciones de algas y las concentraciones de sal (F = 5,83, p < 0,000). El CAT se vio afectado significativamente por las concentraciones de algas (F = 66,99, p < 0,00) y las concentraciones de sal (F = 61,30, p < 0,000), y hubo una interacción significativa entre las concentraciones de algas y las concentraciones de sal (F = 22,28, p < 0,000 ). La POX se vio afectada significativamente por las concentraciones de algas (F = 185,04, p < 0,00) y las concentraciones de sal (F = 64,63, p < 0,000), y hubo una interacción significativa entre las concentraciones de algas y sal (F = 36,29, p < 0,000) (Tabla 3). El extracto de algas podría mejorar la actividad de SOD, CAT y POD en C. lanatus además de mejorar la tolerancia a la sal, lo que impulsa el desarrollo de la planta en condiciones de estrés. La tolerancia a la salinidad está fuertemente asociada con actividades enzimáticas antioxidantes mejoradas, así como con un alto contenido de antioxidantes no enzimáticos73. Se ha informado del papel de las enzimas antioxidantes en la resistencia a la sal en muchas especies de plantas (Arabidopsis, cebada, guisantes y tabaco)74,75,76. Las macroalgas han sido reconocidas como una rica fuente de antioxidantes77. El extracto de algas de U. rigida antagoniza los efectos nocivos del estrés abiótico al aumentar la actividad de las enzimas antioxidantes78. El extracto de Ulva rigida condujo a una promoción significativa de la actividad de las enzimas antioxidantes en plantas de trigo estresadas por sal79. La superóxido dismutasa (SOD) es la primera enzima que actúa contra las especies reactivas de oxígeno80. Se observó una mejora significativa en las actividades de catalasa (CAT) y superóxido dismutasa (SOD) en plantas de trigo tratadas con un 25 % de extracto de U. rigida en condiciones de estrés salino81. Se ha afirmado que la superóxido dismutasa, la catalasa y las peroxidasas, así como la ascorbato peroxidasa, protegen a las plantas contra los efectos nocivos de las especies reactivas de oxígeno82,83. El contenido de azúcares solubles, polifenoles y proteínas en el extracto de Fucus espiralis puede explicar la mayor resistencia a la sal del trigo duro, probablemente a través de la estimulación de enzimas antioxidantes47.

( a – c ) Superóxido dismutasa (SOD), catalasa (CAT) y peroxidasa (POD) (μ mg −1 de proteína) de C. lanatus afectadas por diferentes concentraciones de extracto de algas (UL). Medias con la misma letra no son significativamente diferentes entre sí (p 0,05 ANOVA).

Además, los rasgos de germinación y crecimiento se correlacionaron positivamente con la actividad enzimática y los pigmentos (Tabla 4). La longitud de los brotes, la longitud de las raíces y la germinación se asociaron y correlacionaron positivamente con la clorofila (b) en 0,984, 0,984 y 0,943, respectivamente. El número de ramas y el área foliar se correlacionaron positivamente con los carotenoides en 0,985 y 0,996, respectivamente. La longitud de los brotes, la longitud de las raíces, el número de ramas y el área de las hojas registraron la correlación más fuerte con la enzima CAT con 0,924, 0,895, 0,881 y 0,887, respectivamente. La germinación registró una correlación positiva con las enzimas SOD, CAT, POD de 0,697, 0,826 y 0,780, respectivamente. La preparación de semillas aumenta las actividades metabólicas previas a la germinación, aumenta la actividad del sistema antioxidante y acelera la reparación de las membranas84. Los efectos promotores de los extractos de algas en el crecimiento de las plantas pueden contribuir al suministro de nutrientes vegetales desde los suelos85. Algunos de estos elementos están directamente relacionados con los pigmentos foliares o catalizan algún proceso fisiológico que conduce a promover la producción de sustitutos bioquímicos86. Los extractos de algas mejoraron los componentes bioquímicos de los cultivos87. Los extractos de algas pueden reforzar diferentes mecanismos fisiológicos y bioquímicos para mejorar la tolerancia de las plantas a la salinidad60. El extracto de algas marinas de U. rigida puede aumentar la tolerancia al estrés salino y proteger las plantas de trigo contra el deterioro oxidativo88. Las macroalgas podrían mejorar la tolerancia de las plantas a la sal a través del aumento de compuestos antioxidantes, compuestos como el ácido ascórbico y los polifenoles, que podrían ser necesarios para la estimulación de las enzimas antioxidantes47. Los extractos de algas pueden aliviar los efectos del estrés salino mediante la activación de vías metabólicas que contribuyen a promover el crecimiento y el rendimiento de las plantas89. La mejora de la resistencia a las sales de las plantas se asoció con un aumento en la eficiencia del uso del agua, la actividad fotosintética, los compuestos fenólicos y la actividad eliminadora de ROS. La glicina betaína participa en la mitigación del estrés salino en las plantas mediante el ajuste osmótico y la eliminación de ROS90. El extracto de Ulva rígida es rico en glicina betaína, que retrasa la pérdida de la actividad fotosintética al inhibir la degradación de la clorofila67. La aplicación exógena de glicina betaína aumentó significativamente la altura de la planta y el número de hojas de Dalbergia odorifera en condiciones de estrés salino leve y severo63. Se podría concluir que el extracto acuoso del alga U. lactuca puede mejorar el porcentaje de germinación de las semillas, el crecimiento de las plantas, los pigmentos fotosintéticos y el desempeño de C. lanatus en condiciones de estrés salino, en virtud de su contenido de componentes bioactivos y parámetros bioquímicos, podrían estimular la respuesta de tolerancia de C. lanatus al estrés biótico de las sales. Por lo tanto, esta investigación recomendó a los criadores utilizar extracto de algas marinas como una técnica eficaz de preparación de semillas para promover la germinación y el crecimiento de C. lanatus, que es eficaz en condiciones de estrés salino para aumentar la productividad de las plantas.

Los conjuntos de datos utilizados durante el presente estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Descargar referencias

Los autores expresan su agradecimiento al laboratorio de Análisis de Agua y Suelos del Centro de Investigación del Desierto, en El Cairo, Egipto.

Financiamiento de acceso abierto proporcionado por la Autoridad de Financiamiento de Ciencia, Tecnología e Innovación (STDF) en cooperación con el Banco Egipcio de Conocimiento (EKB).

Departamento de Botánica y Microbiología, Facultad de Ciencias, Sección de Niñas, Universidad Al-Azhar, El Cairo, Egipto

Asmaa M. Radwan, Entesar A. Ahmed & Abeer E. Mustafa

Departamento de Plantas Medicinales y Aromáticas, Centro de Investigación del Desierto, El Cairo, Egipto

Abdelraheim M. Donia

Departamento de Protección Vegetal, Centro de Investigación del Desierto, El Cairo, Egipto

Mohamed A. Balah

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Investigación y recursos; AMR, EAA, AEM Análisis y redacción fitoquímica: borrador original; AERD, análisis de datos y revisión del manuscrito; MAB

Correspondencia a Mohamed A. Balah.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Radwan, AM, Ahmed, EA, Donia, AM et al. Cebado de Citrullus lanatus var. Las semillas de Colocynthoides en extracto de algas mejoraron la germinación de las semillas, el crecimiento de las plantas y el rendimiento en condiciones de salinidad. Representante científico 13, 11884 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38711-8

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Recibido: 24 de marzo de 2023

Aceptado: 13 de julio de 2023

Publicado: 23 de julio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38711-8

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