El calentamiento global y la sobrepoblación plantean desafíos significativos para la producción de alimentos. Por ejemplo, los cambios en los patrones climáticos, como sequías, inundaciones y desastres naturales, afectan la disponibilidad y la producción de alimentos, disminuyen los rendimientos de los cultivos, ayuda a propagar enfermedades en los sembradíos y afectan su calidad. Aunado a ello, el aumento de la población genera una mayor demanda de alimentos, lo que ejerce presión sobre los sistemas alimentarios y conlleva una mayor explotación de recursos naturales, como agua y suelo cultivable.
En conjunto, estos parámetros comprometen la sustentabilidad alimentaria, referida como la capacidad de mantener y garantizar la disponibilidad de alimentos saludables y nutritivos para la población actual y las generaciones futuras, sin comprometer los recursos naturales y el bienestar de las comunidades involucradas en la producción de alimentos. La sustentabilidad alimentaria requiere entonces apoyo de la tecnología para entender la bioquímica de las plantas, lo cual permitiría la adopción de enfoques más sostenibles para la producción agrícola y la gestión de recursos naturales.
Las plantas tienen la capacidad de adaptarse y crecer en su entorno gracias a un conjunto de sustancias orgánicas conocidas como fitohormonas. Estas moléculas se sintetizan de manera natural en las células vegetales y juegan un rol fundamental en todas las etapas de la vida de las plantas, desde la germinación de las semillas y la iniciación de las raíces, el crecimiento, la floración, el desarrollo de polen, hasta la maduración de los frutos. Además, son importantes para la tolerancia al estrés causado por diferentes circunstancias, por ejemplo, para adaptarse a situaciones de estrés abiótico, como el aumento de acidez o salinidad en el suelo, o durante las sequías, cuando las fitohormonas regulan el cierre de las estomas para reducir la pérdida de agua. En situaciones de estrés biótico, estas moléculas desempeñan un papel crucial en la defensa contra herbívoros, patógenos y daños mecánicos, regulando la síntesis de compuestos defensivos.
Existen diversas clases de fitohormonas, incluyendo las auxinas, giberelinas, citocininas, ácido abscísico, etileno, brasinoesteroides y jasmonatos, y a menudo interactúan entre sí. Su producción y concentraciones pueden ser influenciadas por diversos factores internos y externos, incluyendo la luz, la temperatura, la disponibilidad de agua, así como los niveles de nutrientes (Figura 1). La comprensión de las funciones e interacciones de las fitohormonas resulta esencial tanto para los científicos como para los agricultores. Esto les permite manipular el crecimiento de las plantas, inducir la floración o producción de frutos, controlar las plagas, mejorar la tolerancia al estrés y, de manera general, mejorar la calidad y el rendimiento de los cultivos, así como prolongar la vida de anaquel de sus derivados.
El conocimiento de la concentración, distribución e interacciones de las fitohormonas en las plantas es de vital importancia para diseñar sistemas sostenibles de producción de alimentos. Las fitohormonas pueden ser sintetizadas y aplicadas a los cultivos, como en los fertilizantes, para mejorar su rendimiento. En agricultura de precisión, este enfoque se conoce como aplicación exógena. Es importante tener en cuenta que la aplicación de fitohormonas exógenas requiere una cuidadosa consideración de factores como el momento adecuado, la dosificación y los requisitos específicos de cada cultivo. Una aplicación incorrecta podría tener efectos adversos en el crecimiento y desarrollo de las plantas, así como un impacto ambiental negativo. Por lo tanto, es crucial el desarrollo de métodos que permitan cuantificar su concentración de manera sencilla, rápida, accesible y de manera directa en el campo. Al conocer su concentración en las plantas, se accede a información crucial para comprender su biología, lo que permitiría desarrollar prácticas agrícolas sostenibles para mejorar la producción de cultivos y así garantizar la seguridad alimentaria.
Los nanosensores son herramientas innovadoras que permiten detectar y monitorear la concentración de analitos de diversa naturaleza, y pueden ser enfocados en la medición de los niveles de fitohormonas en las plantas. Su desarrollo implica la integración precisa de nanomateriales con sondas moleculares que pueden interactuar específicamente con la fitohormona objetivo. Estas sondas están diseñadas para experimentar cambios medibles cuando se unen a la fitohormona de interés; por ejemplo, variaciones en la emisión de fluorescencia. Es así como las variaciones en la intensidad de emisión se correlacionan con el contenido de la hormona de interés, permitiendo conocer su concentración en tiempo real. Los nanosensores de fitohormonas tienen varias ventajas sobre los métodos convencionales de detección, como la portabilidad y accesibilidad, por lo que pueden ser utilizados en investigaciones fundamentales para desentrañar las vías de señalización hormonal, al igual que en aplicaciones como el mejoramiento de cultivos, estudios de respuestas al estrés y agricultura de precisión.
Los nanosensores basados en nanopartículas luminiscentes desarrollados en el Laboratorio de Nanomateriales Biofuncionales del Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada de la UNAM han sido diseñados como herramientas sensibles y específicas para detectar y medir los niveles de fitohormonas en plantas y sus derivados. Cuando las nanopartículas funcionalizadas entran en contacto con las fitohormonas, ocurre un evento de unión que produce cambios en la eficiencia de su luminiscencia. Estos cambios pueden ser detectados a simple vista o cuantificados mediante el monitoreo de la intensidad de emisión, la cual se correlaciona con la concentración de fitohormonas en la muestra utilizando curvas de calibración o modelos matemáticos sencillos. Las ventajas de los nanosensores luminiscentes incluyen una alta sensibilidad, baja interferencia de fondo y la capacidad de trabajar en matrices biológicas complejas. Ofrecen una precisión y exactitud comparables con los métodos estandarizados como la cromatografía líquida de alta resolución (HPLC), y pueden proporcionar monitoreo en tiempo real y en regiones remotas con acceso limitado a otros recursos analíticos.
Como ejemplo de estos nanosensores, en nuestro laboratorio se ha desarrollado un nanocompuesto supramolecular denominado UCNPs-PAAm-Cu(II) para detectar de manera sensible la hormona ácido salicílico en muestras de plantas[1]. Como se ilustra en la Figura 2, este compuesto utiliza nanopartículas luminiscentes y una capa polimérica capaz de enlazar iones de cobre que actúan como moduladores de la luminiscencia. Debido a sus propiedades ópticas y espectroscópicas, dicho modulador inhibe la emisión de las nanopartículas. Al interactuar con el ácido salicílico, se forma un complejo ácido salicílico-cobre que activa gradualmente la recuperación de la luminiscencia a partir de concentraciones tan bajas como dos nanomoles por litro. Este ensayo es instantáneo y selectivo para ácido salicílico, y ha demostrado ser confiable al determinar su contenido en frutas y verduras comestibles, incluyendo limones, pepinos, kiwis, manzanas y jitomates. Se ha demostrado su aplicabilidad y confiabilidad, obteniendo resultados comparables a la cromatografía de gases-espectrometría de masas (GC/MS). Este enfoque analítico proporciona una herramienta útil para comprender los roles del ácido salicílico en las plantas, mejorar el rendimiento de los cultivos, así como evaluar la calidad de los alimentos. Además, la determinación precisa de las concentraciones de esta fitohormona en los alimentos es importante para los pacientes con sensibilidad a los salicilatos, quienes deben limitar su ingesta.
En nuestro laboratorio, el desarrollo de nanosensores basados en nanopartículas luminiscentes para la cuantificación de fitohormonas es una línea central de investigación. Los avances continuos en nanotecnología y diseño de sensores ayudarán a mejorar la sensibilidad, especificidad y practicidad, para aplicarlos en campos como la ciencia de plantas, la agricultura y la biotecnología. Aunque estos avances tecnológicos representan una valiosa contribución hacia la sustentabilidad alimentaria, es necesario continuar desarrollando estrategias de análisis de un mayor número de moléculas, lo que permitiría garantizar el suministro de alimentos en el futuro cercano.
Referencias
[1] Carreño-Vega O., Vargas-Zamarripa M., Salas P., Ramírez-García Gonzalo. Poly(allylamine)-copper (II) coordination complex grafted on core@shell upconversion nanoparticles for ultrafast and sensitive determination of the phytohormone salicylic acid in plant extracts. Dalton Transactions, 2022. 51, 11630-11640.
Jorge A. Molina González y Osvaldo Carreño Vega trabajan en el Laboratorio de Nanomateriales Biofuncionales, del Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada de la UNAM. Gonzalo Ramírez García es investigador asociado C de tiempo completo.
E-mail: gonzalo.ramirez@fata.unam.mx
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