Crecimiento, carbohidratos solubles y ácidos grasos de verdolaga (Portulaca oleracea L.) sometida a tres niveles de radiación

Growth, soluble carbohydrate and fatty acid concentrations of common purslane (Portulaca oleracea L.) grown under three irradiance levels

A. Páez¹, P.M. Páez², M.E. González¹, A. Vera³, D. Ringelberg⁴ y T.J. Tschaplinski⁵

1Laboratorio de Ecofisiología. Departamento de Biología, Facultad Experimental de Ciencias, Universidad del Zulia, Maracaibo, Venezuela

²Facultad de Medicina, Universidad del Zulia, Maracaibo, Venezuela

³Laboratorio de Ecología, Centro de Investigaciones Biológicas, Facultad de Humanidades y Educación, Universidad del Zulia, Maracaibo, Venezuela

⁴Microbiologist. U.S. Army-CRREL 72 Lyme Rd. Hanover, NH 03755

⁵Environmental Sciences Division, Oak Ridge National Laboratory, P.O. Box 2008, Oak Ridge, Tennessee 37831-6422

Autor de correspondencia e-mail: apaezsalazar@yahoo.com; t2t@ornl.gov

Resumen

La herbácea anual verdolaga (Portulaca oleracea L.), una especie C₄ ampliamente distribuida la cual se sometiá a crecimiento se hizo crecer a diferentes condiciones de radiación. Se determinó el efecto de la luz sobre el crecimiento de la planta, la distribución de carbono, y las concentraciones de carbohidratos solubles y ácidos grasos (particularmente w3 insaturados) de las hojas. Las plántulas crecieron bajo tres regímenes de luz: luz total, sombra parcial (30% de la luz total) y sombra total (10% de la luz total). En la luz total se obtuvo un rápido crecimiento vegetativo después de los 13-15 días y la floración se presentó un mes después de la emergencia de las plántulas; ambas variables disminuyeron en el tratamiento de sombra total. A las tres semanas después de la emergencia de los individuos, el área foliar, la biomasa de las hojas, tallos y raíces fueron mayores a luz total. La relación raíz/vástago disminuyó bajo la condición de radiación más baja, y la relación área foliar, el área foliar específica y la proporción del peso foliar incrementaron tanto en la sombra total como en la parcial. A las seis semanas, las plantas tratadas con luz total tuvieron una baja proporción de la biomasa de las hojas (4%), y una alta proporción en la correspondiente a las raíces (50%) en relación a los tratamientos de sombra, en los cuales los tallos y las estructuras reproductivas constituyeron la mayor fracción de la biomasa total. En la sombra total, 46% de la biomasa total se localizó en las hojas. Adicionalmente, la radiación más baja redujo la concentración de carbohidratos solubles de las hojas a 18% de la correspondiente a las plantas que crecieron bajo luz total. La sombra también mostró una tendencia a incrementar las concentraciones de la fracción de ácidos grasos polares de las hojas, incluyendo 18:3w3 y el polimetil unidos a los alcoholes y al fitol. Mientras que las plantas se compensaron en el sombreado parcial al secuestrar carbono para la producción foliar, el sombreado total produjo inhibición del crecimiento y efectos adicionales sobre el metabolismo de los carbohidratos y los lípidos.

Palabras clave: Portulaca oleracea, verdolaga, radiación, distribución de carbono, carbohidratos, ácidos grasos.

Abstract

The annual herb purslane (Portulaca oleraceae L.), a widely-distributed C₄ species, was grown under different irradiances to determine the effect of light on plant growth, carbon allocation, soluble carbohydrate and fatty acid (particularly desaturated w3-fatty acid) concentrations of leaves. Seedlings were grown under three light regimes: full sun, partial shade (30% of full sun) and deep shade (10% of full sun). In full sun, rapid vegetative growth began after 13-15 d and flowering began one month after emergence, both of which were delayed by shade. At 3 wk after emergence, leaf area, leaf, stem, and root biomass were greatest in full sun. Root/shoot ratio decreased under lower irradiance, and leaf area ratio, specific leaf area, and leaf weight ratio increased in both deep and partial shade. At 6 wk, plants in full sun had a low proportion of its biomass in leaves (4%), and a high proportion in roots (50%), relative to the shade treatments, in which, stems and reproductive structures constituted a greater fraction of the total biomass. In deep shade, 46% of the total biomass was allocated to leaves. Additionally, lower irradiance reduced soluble carbohydrate concentrations of leaves to 18% of that in plants grown under full sun. Shade also tended to increase the concentrations of polar fraction fatty acids in leaves, including 18:3w3, and the poly-methyl branched alcohols and phytol. Whereas plants compensate for partial shade by reallocating carbon to leaf production, severe shade resulted in growth suppression and additional effects on carbohydrate and lipid metabolism.

Key words: Portulaca oleracea, Purslane, irradiance, carbon allocation, carbohydrates, fatty acids.

Recibido el 28-10-2005 Aceptado el 25-4-2007

Introducción

La herbácea annual verdolaga (Portulaca oleraceae L.) es una planta C₄ considerada por ser una maleza en alrededor de 80 países del mundo, siendo común en el trópico, particularmente en Venezuela (5). Los tallos son suculentos, lisos y carnosos (5, 12, 14). Las flores de verdolaga son amarillas, sésiles y solitarias, y el fruto es una cápsula con muchas semillas ligeramente negras. A pesar del considerable esfuerzo que ha tenido lugar previamente al desarrollar herbicidas para controlar a esta maleza (3), la verdolaga ha sido reconocida recientemente como una fuente de ácido linoleico y anti oxidantes (17, 22-24). De acuerdo con los datos disponibles, la verdolaga es la fuente más rica de ácido linoleico (LNA, 18:3w3) (4 mg.g^-1 de peso fresco) entre los vegetales de hojas verdes (17, 24). También contiene una pequeña cantidad de ácido eicosapentanoico (EPA, 20:5w3) (0.01 mg.g^-1 de peso fresco), asi como también de antioxidantes (24). Simopoulos y Salem (23) reportaron que la verdolaga contiene 8.5 mg.g^-1 de peso fresco de ácidos grasos, y de este total 18:3w3 constituye 4.05 mg.g^-1 de peso fresco. Por lo tanto, se considera una rica fuente no acuática de ácido linoleico, conveniente para consumo humano. Así, la verdolaga puede ser una planta sustituta del aceite de pescado debido a su alto contenido de ácido linoleico, el precursor del orden más alto de ácidos grasos omega-3 (w3).

El contenido de ácido linoleico en la verdolaga varía con la edad, el tipo de tejido, y con hojas que contienen concentraciones más altas que en los tallos (24). La presencia y concentra ción del ácido linoleico puede variar con el cultivar, la distribución geográfica, la etapa de desarrollo y los factores ambientales. Envista de que la verdolaga está ampliamente distribuída alrededor del mundo, especialmente en los tròpicos (17), se han conducido investigaciones para determinar los efectos de la radiación sobre su composición química, específicamente en su constitución de ácidos grasos y la producción de materia seca resultante. Existen pocos estudios acerca del efecto de la radiación sobre la concentración de ácidos grasos en los tejidos. Por esto, nuestro objetivo fue determinar el efecto de la luz sobre el crecimiento de la planta, la distribución de carbono, y las concentraciones de ácidos grasos en las hojas de Portulaca oleraceae. Un objetivo adicional fue evaluar las condiciones ambientales para el cultivo de la verdolaga para la producción de w3 ácidos grasos, con la posibilidad de desarrollar un futuro cultivo agrícola.

Materiales y métodos

Para determinar el efecto de la radiación sobre el crecimiento, la distribución de la biomasa, los carbohidratos solubles y la concentración de ácidos grasos, las plántulas de verdolaga (Portulaca oleraceae L.) se hicieron crecer a tres regímenes de radiación: sol total (ambiental), sombra parcial (30% de la ambiental) y sombra profunda (10% de la ambiental) en an área adyacente a la Facultad de Ciencias, Universidad del Zulia, Maracaibo, Venezuela. Se emplearon ocho plantas/tratamiento, las cuales crecieron en macetas plásticas de 30 kg, y cada tratamiento se ensayó por duplicado. Las plantas se regaron con agua corriente cada mañana. Ocho plantas de cada régimen de luz se cosecharon a las 3 y 6 semanas después de la emergencia de las plántulas. Las raíces se lavaron y se colocaron en bolsas de papel. Las hojas se separaron de los tallos. El área foliar se midió con un equipo de área foliar Ll-3100 (LiCor, Lincoln, NE), y las plantas fueron secadas en una estufa Memmert a 60ºC durante 3-4 días hasta obtener su biomasa.

El análisis de crecimiento se llevó a cabo en todos los tratamientos (15). Los parámetros de distribución de la biomasa incluyeron la relación raíz/vástago (R/S), relación área foliar (RAF), área foliar específica (AFE) y relación de peso foliar (RPF). La radiación fotosintéticamente activa (RFA), la temperatura del aire y la humedad relativa fueron obtenidas con sensores del sistema portátil de fotosintesis LiCor Li-6200 (LiCor Inc., Lincoln, NE), el cual incluye el analizador de dióxido de carbono LiCor Li-6250. Las variables ambientales como la precipitación, la temperatura, y la humedad relativa fueron obtenidas durante el transcurso del experimento a partir de la estación climatológica de la Universidad del Zulia. El promedio de temperatura mínima y máxima fue de 24.5 ± 0,1ºC and 32,8 ± 0,1ºC, respectivamente. La media de la humedad relativa mínima y máxima fue 49,7 ± 1,2% y 93,8 ± 0,7%, respectivamente.

Las muestras foliares (20-25 mg), de cada tratamiento, se pesaron, se congelaron y se sacaron durante 48 horas y se analizaron los carbohidratos solubles. Cada una de estas muestras fueron ex traídas en agua caliente a 60ºC por 30 min y luego los extractos fueron liofilizados. Los extractos (1 L de cada muestra) fueron tratados con 1 mL de Tri-Sil `Z' (Pierce Chemical Co., Rockford, IL), calentadas por 30 min a 70ºC, se dejaron reposar toda la noche y 1 L de la muestra derivatizada fue analizada usando cromatografía de gas con columna capilar (31). Los derivados trimetilsililados de los carbohidratos fueron analizados usando un cromatógrafo de gas acoplado a masa, con una columna de fase estacionaria HP 5972 (GC-MS). La identificación de cada carbohidrato se confirmadó mediante GC-MS. Las condiciones de operación del GC-MS se han descrito previamente (9). Los patrones externos de los carbohidratos conocidos fueron analizados para determinar la concentración encontrada en las muestras foliares de verdolaga. Adicionalmente se analizó la constitución de los ácidos grosos en muestras foliares (20-25 mg) para determinar el efecto de radiación en perfiles de ácidos grasos. Los ácidos grasos de glicolípido y lípidos polares se unieron, se esterificaron para obtener ésteresmeticos y se analizaron mediante cromatografía de gas como lo describen White y Ringelberg (33).

Se usó un arreglo factorial en un diseño al azar con ocho réplicas de plantas. En cada régimen de radiación, las plantas se seleccionaron através de un muestreo al azar y cada tratamiento fue duplicado. Los datos fueron procesados de acuerdo al análisis de varianza seguido por la prueba de separación de medias de Tuckey con medias los tratamientos consideradas estadísticamente diferentes en P£0.05.

Resultados y discusión

A exposición solar total, la emergencia de las plántulas se completó entre las 24 y 30 h en condiciones de humedad y suelo cálido. El crecimiento inicial fue lento, pero la tasa rápida de crecimiento vegetativo comenzó después de los 13 a 15 días. En condiciones de luz solar total el crecimiento vegetativo se caracterizó porque las plantas eran densamente ramificadas. El crecimiento vegetativo y las ramas se retrasaron en condiciones de sombra. La floración comenzó un mes después de la emergencia la cual también se retrasó en condiciones de sombreado. A exposición solar total, las planta se presentan postradas, pero a medida que se incrementa la sombra, éstas tienden a crecer más erecta, produciendo menos hojas, flores y cápsulas.

Tres semanas después de la emergencia, el área foliar y la biomasa seca de las hojas, de los tallos de las raíces y flores fueron mayores a exposición solar total y menores en sombra total (cuadro 1). La proporción raíz/vástago disminuyó a la más baja exposición solar y las RAF, AFE y RPF aumentaron tanto en la sombra parcial como en la total (cuadro 2). A las 6 semanas después de la emergencia, las plantas en luz total tuvieron una baja proporción de su biomasa en las hojas (4%), y una alta proporción en las raíces (50%) en relación con los otros tratamientos (cuadro 3). En contraste, los tallos y las estructuras reproductivas constituyeron la mayor fracción de la biomasa total acumulada en las plantas que crecieron en la sombra parcial (cuadro 3). En sombra total el 46% de la biomasa total se localizó en las hojas. Las hojas que se desarrollaron en luz total fueron más pequeñas y gruesa lo que resultó en la más baja AFE. Sin embargo la relación R/V fue mayor y la RAF fue menor a exposición solar total respectivamente (cuadro 4).

Cuadro 1. Área foliar y producción de biomasa seca de plantas de verdolaga que crecieron durante 3 semanas en tres radiaciones.

Medias de tratamientos con las mismas letras no son significativas en el nivel 0,05.

Cuadro 2. Distribución de la biomasa de plantas de verdolaga que crecieron a partir de semillas en tres radiaciones durante 3 semanas.

Medias de tratamientos con las mismas letras no son significativas en el nivel 0,05.

Cuadro 3. Área foliar y producción de biomasa seca de plantas de verdolaga que crecieron por seis semanas en tres radiaciones.

Medias de tratamientos con las mismas letras no son significativas en el nivel 0,05.

Cuadro 4. Distribución de la biomasa de plantas de verdolaga que crecieron en tres radiaciones durante seis semanas.

Medias de tratamientos con las mismas letras no son significativas en el nivel 0,05.

La sombra parcial redujo la concentración total de carbohidratos solubles de las hojas de verdolaga al 18%, comparada con las hojas a exposición solar total. Se encontraron cuatro carbohidratos solubles monosacáridos principales en las hojas. El más abundante fue la glucosa seguido por la fructosa, el mioinositol, y la galactosa, respectivamente (cuadro 5). Las concentraciones de los carbohidratos solubles no fueron diferentes entre tratamientos de sombra, indicando que las hojas se mantienen en un mínimo nivel de la línea de fondo. Dado que las plantas sombreadas a un 10% de luz total fueron más pequeñas que aquellas que crecieron a un 30% de luz total, las disminuciones del crecimiento resultaron sin mayores reducciones en la concentración de carbohidratos.

Cuadro 5. Concentraciones de carbohidratos solubles (µmol/g dw) de hojas de verdolaga creciendo bajo varios niveles de radiación.

Se muestran el error y las medias estándar. Medias de tratamientos con las mismas letras no son significativamente diferentes (P>0,05).

La radiación más baja tendió a incrementar la concentración de la fracción de los ácidos grasos polares en las hojas, incluyendo 18:3w3, y 20:3w3 (pero fue evidente una variabilidad considerable), 18:2w6, los alcoholes polimetílicos ramificados y los fitoles, las más altas de las moléculas de clorofila (cuadro 6). La proporción relativa de ácidos grasos cambió bajo condiciones de baja radiación como lo indicaron los datos de la fracción de molar (cuadro 7). La fracción molar de 18:2w6 aumentó de 5,1% (luz total) a 9,5% (sombra profunda), con pequeños aumentos en 16:1w13t y 16:1w7c. En contraste, la baja radiación redujo la fracción molar de varios ácidos saturados incluyendo 14:0, 23:0, 24:0 y 25:0 (cuadro 7).

Cuadro 6. Concentraciones (nmol/mg dw) de ácidos grasos polares y glico lípidos de hojas de verdolaga que crecieron en varios niveles de radiación.

Cuadro 7. Fracción de molar de ácidos grasos glico y polares por el 100% de hojas de verdolaga que crecieron en varios niveles de radiación.

Se ha reportado un incremento en el AFE en respuesta a la baja radiación en varias especies (2). Patterson et al. (20) reportó un triple aumento en la RAF malvavisco de la india (Abutilon theophrasti L.) y algodón (Gossypium hirsutum L.). La relación R/V disminuyó a la más baja radiación, lo que refleja el aumento en la distribución de carbono disponible para el crecimiento foliar a expensa del crecimiento de la raíz.

Una mayor distribución del carbono para el crecimiento foliar en respuesta al sombreado se observó en Filipendula ulnaria L., tolerante a la sombra, a la par con la disminución en la distribución del carbono para el crecimiento de la raíz (34). Las relaciones R/V de las plántulas de Heliocarpus appendiculatus Turcz. y de Dipteryx panamensis (Pitt.) Record & Mell fueron más bajas en sombra total y más altas a exposición solar total (8). El aumento en la RAF con la disminución por la radiación del crecimiento, es considerado una adaptación positiva de la planta completa y ha sido observada en la especie facultativa a la sombra Impatiens parviflora (6), y la especie estricta a la radiación solar Helianthus annuus (11).

Los aumentos en AFE y RPF son dos ajustes que maximizan el área fotosintéticamente activa, con el ajuste anterior siendo casi universal entre ambas especies de sol y sombra (2).

Es interesante destacar, que en ambos tratamientos de sombra aumentaron el RPF en verdolaga, pero el AFE sólo aumentó bajo sombra total. La sombra parcial aumentó el AFE de Barleria lupulina, conjuntamente con el doble valor de la RAF y una disminución en la relación R/V (19). Estos resultados estuvieron en concordancia con los estudios sobre Heliocarpus appeniculatus y Dipteryx panamensis (8), (Imperata cylindrica (L.) Beauv (21) y pasto guinea (18). En todos estos estudios, las relaciones más altas de R/V fueron obtenidas en exposición solar total y los más bajos en la sombra.

Los análisis químicos de las hojas de cada tratamiento mostró la presencia de w3 ácidos grasos. Los estudios con hallasgos similares anteriores (17, 22-25) indicaron la presencia de ácidos grasos w3 y antioxidantes en las hojas de verdolaga. Las disminuciones en ácidos grasos saturados a baja radiación puede tener consecuencias para la salud humana si la verdolaga es consumida como un suplemento alimenticio. Los ácidos grasos saturados de cadena larga son dañinos para la salud humana como: 14:0 (ácido mirístico), 16:0 (ácido palmítico), y 18:0 (ácido esteárico) los cuales son formadores de trombo (13, 32), induciendo la trombosis de la sangre o la formación de coágulos en la sangre. Además, el 12:0 (ácido láurico), 14:0, y 16:0 son también ácidos grasos saturados aterogénicos (32), induciendo ateroesclerosis. Por ejemplo, el ácido mirístico es el más aterogénico, con casi cuatro veces el potencial para formar colesterol que el ácido palmítico (10). Los ácidos grasos saturados de cadena larga aceleran la trombosis, mientras que los ácidos grasos poliinsaturados no. Adicionalmente, las dietas altas en ácidos grasos w3 se piensa que disminuyen los niveles de colesterol serico, controlan la presión alterial y previenen las enfermedades coronarias (1, 4, 7, 16, 26). Simopoulos considera que las plantas silvestres comestibles proveen más ácido alpha-linoleico (ALA) y grandes cantidades de vitamina E, vitamina C y también antioxidantes que las cultivadas (27, 28, 30). Un estudio en siete países mostró que la población de Creta tuvo la cantidad más grande de ácido alpha-linoleico (ALA) en sus ésteres de colesterilo y la más baja taza de enfermedades cardio vasculares (28). De acuerdo a Simopoulos (28, 29), la población de Crete obtuvo ALA al consumir plantas silvestres como verdolaga, nueces y caracoles. Los resultados de este estudio sugieren que la sombra parcial puede ser usada para mejorar la calidad nutricional de la verdolaga, así como también la proporción de carbono distribuido para la producción foliar. La verdolaga es una rica fuente de w3 ácidos grasos y la radiación más baja tendió a incrementar las concentraciones de las fracciones polares de ácidos grasos en las hojas. Por esto, este estudio es considerado una contribución para obtener una fuente alternativa de ácidos grasos w3 para el consumo humano.

Agradecimientos

Los autores desean expresar su agradecimiento al CONDES (Universidad del Zulia) y al FONACIT por financiar parte de esta investigación llevada a cabo en Venezuela. La investigación también fue financiada por el programa de "Bioenergy Feedstock Development" de U.S. Departamento de Energía, en el Laboratorio Nacional Oak Ridge, gerenciado por UT-Battelle, LLC, del Departamento de Energía de U.S. bajo el contrato DE-AC05-00OR22725.

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