El objetivo del presente estudio fue evaluar el efecto de la irrigación con las levaduras Debaryomyces hansenii var. Fabry, Yarowia lipolytica YIBCS002, Yarowia lipolytica var. BCS y Candida pseudointermedia sobre el contenido nutricional final del forraje verde hidropónico de maíz (Zea mays L.), al ser efectuada en diferentes etapas de crecimiento de aquel (fase semilla-plántula o fase plántula-planta 20cm), o bien durante todo el cultivo. Todas las levaduras incrementaron el contenido de proteína cruda, lípidos, cenizas, humedad y energía bruta, independientemente de la etapa de crecimiento del forraje en las que fueron aplicadas. El porcentaje de electrólitos (Na, K, Cl, sulfatos, Ca y Mg) varió en función de la levadura aplicada; D. hansenii incrementó todos los electrólitos, excepto el P. Se concluye que la adición de levaduras del género Debaryomyces, Candida y Yarowia en la solución de riego de sistemas hidropónicos mejora el contenido de nutrientes del forraje verde. Esta práctica puede contribuir a la generación de cultivos de valor comercial en espacios limitados
The objective of this study was to evaluate the effect of irrigation with yeasts (Debaryomyces hansenii var. Fabry, Yarowia lipolytica YIBCS002, Yarowia lipolytica var. BCS and Candida pseudointermedia) on the final nutritional content of hydroponic green maize fodder (Zea Zea mays L.), applied at different fodder growth stages (1. seed-seedling stage, 2. seedling-plant 20cm, 3. during all the culture). Irrespective of the fodder growth stages at which they were applied, all yeasts tested enhanced the content of raw protein, lipids, ash, moisture and energy. The percentage of electrolytes (Na, K, Cl, sulphates, Ca and Mg) showed different responses depending on the kind of yeast applied; D. hansenii exhibited the highest increment in all electrolytes, except for phosphorous. We conclude that the addition of yeasts belonging to the genera Debaryomyces, Candida and Yarowia to the irrigation solution of hydroponic systems enhances the nutrient content of green fodder. This kind of irrigation can be applied to generate high commercial value cultures in limited spaces.
El forraje verde hidropónico (FVH) es el producto de la germinación de granos de cereales como avena, maíz, cebada, trigo, sorgo, entre otros, bajo condiciones controladas22,41. A nivel mundial, el FVH ha sido propuesto como una alternativa para la producción animal y el consumo humano18; este ofrece ventajas como la de poder cultivarse en áreas pequeñas y generar una producción continua durante el año34. El contenido nutricional del forraje está directamente relacionado con la calidad de los productos obtenidos del ganado29. El inconveniente de este sistema de cultivo es la generación de plantas con deficiencias nutricionales debido a la falta de sales y nutrientes en la solución nutritiva usada para irrigación40.
Con el fin de incrementar el contenido nutricional de productos obtenidos a través de sistemas hidropónicos se han evaluado distintas condiciones de cultivo; se han probado, entre ellas, algunas modificaciones en el tipo e intensidad de la luz23 y cambios en la composición de nutrientes en la solución de riego2,20, así como el efecto de la estaciones del año en las que se realiza el cultivo8. También se han generado sistemas computacionales para controlar de manera más eficiente las concentraciones de macronutrientes y nutrientes esenciales como Ca+2, K+ y Cl− en las soluciones de riego del cultivo hidropónico21,38.
En estos sistemas es fundamental garantizar un mantenimiento adecuado de nutrientes disponibles para la planta, los cuales deben existir en cantidades suficientes en los momentos en que el cultivo los requiera17. Debido a la diferencia metabólica que existe entre las etapas de crecimiento, es sabido que durante el periodo de semilla la obtención de agua y de nutrientes del medio por absorción es primordial, mientras que en la plántula lo es el transporte de nutrientes almacenados6.
En los últimos años se han utilizado bacterias promotoras del crecimiento vegetal en sistemas hidropónicos con el objetivo de mitigar el estrés por deficiencias de hierro36. Se ha reportado la existencia de levaduras capaces de favorecer el crecimiento de diversos cultivos como el arroz, la remolacha y el maíz; estas han mejorado la elongación de la raíz, la captación de nitrógeno y el peso seco de la planta1,13,14,27,30. Estas mejoras se han vinculado a la producción de auxinas, como ácido indol-3-acético30,51, a la solubilización de fosfatos1,49, a la nitrificación, a la oxidación de compuestos azufrados15 y a la producción de sideróforos39. Dichos mecanismos incrementan el metabolismo, el contenido nutricional44 y la acumulación de diversos componentes celulares en cultivos de interés agrícola7,50. Considerando que las levaduras tienen la capacidad de mejorar varios parámetros de diferentes cultivos, la hipótesis de este trabajo es que la aplicación de levaduras durante el riego del FVH de maíz en alguna de sus etapas de crecimiento puede mejorar el contenido nutricional del forraje.
El objetivo de esta investigación fue evaluar el efecto de 4 levaduras (Debaryomyces hansenii var. Fabry, Yarowia lipolytica YIBCS002, Y. lipolytica var. BCS y Candida pseudointermedia) sobre el contenido final de proteínas, lípidos, cenizas, energía y electrólitos en el FVH de maíz, al ser aplicadas en diferentes etapas de crecimiento: 1. fase semilla-plántula, 2. fase plántula-planta de 20cm, 3. durante todo el tiempo de crecimiento del FVH de maíz.
Materiales y métodosTratamiento de semillasPara la producción de FVH se usaron semillas de maíz (Zea mays L.) procedentes del rancho Santa Fe, ubicado en la población de Santa Fe, km 111, carretera transpeninsular al norte de la ciudad de La Paz B.C.S., México. Las impurezas y semillas rotas fueron descartadas por flotación en agua y filtración a través de un tamiz n.o 6. Posteriormente, las semillas se desinfectaron mediante la aplicación de una solución de cal al 1% durante 24h; se lavaron con agua destilada estéril y se mantuvieron en la oscuridad dentro de un recipiente de 20l tapado con hule negro; después de 48h se pasaron a las charolas correspondientes a cada tratamiento.
Microorganismos y condiciones de cultivoLas levaduras D. hansenii var. Fabry DhfBCS002 (t1); Y. lipolytica YIBCS002 (t2); C. pseudointermedia (t3) e Y. lipolytica var. BCS (t4) fueron obtenidas de la colección del Centro de Investigaciones Biológicas del Noroeste; estas fueron previamente identificadas por Ochoa32.
Cada una de las levaduras se mantuvo en 100ml de medio M1-2, con la siguiente composición (g/l): D-glucosa (20), peptona (5) y extracto de levadura (2,5). El pH del medio se ajustó a 5,6 con HCl 1M, y se incubó durante 24h a 30±2°C con agitación continua, a 85rpm. Para producir el preinóculo, 20ml de cultivo axénico de cada levadura se inocularon por separado en 80ml de medio M1-2, que se incubó durante 24h a 30±2°C con agitación continua, a 85rpm. Posteriormente, cada cultivo de levadura se adicionó a 900ml de medio M1-2; esta incubación se efectuó durante 96h en las condiciones antes mencionadas.
Condiciones experimentales de cultivoLos experimentos se realizaron en charolas de plástico (22,5cm×17,5cm×3,5cm de profundidad), utilizando una densidad de siembra de 200g de semilla por charola. Las bandejas se apilaron verticalmente para mantener la humedad y se dejaron a temperatura ambiente. La irrigación del FVH de maíz se llevó a cabo cada 4h con las diferentes suspensiones de levaduras a una concentración de 6000UFC/ml. Esta irrigación se realizó durante parte del ciclo del cultivo, abarcando desde el estado de semilla hasta el de plántula de 5cm (régimen 1) o desde el estado de plántula de 5cm hasta el de planta 20cm (régimen 2), o bien durante todo el cultivo (régimen 3), como se muestra en la figura 1.
Diseño experimental
Cada experimento se realizó por triplicado, donde una charola se consideró una réplica. Los tratamientos con levaduras incluidos fueron los siguientes: t1–D. hansenii var. Fabry DhfBCS002; t2–Y. lipolytica YIBCS002; t3–C. pseudointermedia; t4–Y. lipolytica var. BCS); se incluyó también un tratamiento con solución nutritiva Hoagland (t5–control), la cual presentó la siguiente formulación (en mg/l): 492MgSO4; 1,81MnCl2·4H2O; 2,86H3BO3; 0,22ZnSO4·5H2O; 0,078CuSO4·7H2O; 0,12NaMoO4·H2O; 1,8CaCl2, 16KSO4; 0,5K2HPO4; 100KNO3; 3 Ca(NO3)·4H2O y 0,06ml de una solución con 0,5% de FeSO4+0,4% de ácido tartárico25. Como muestra la figura 1, en el régimen 1, luego del tratamiento con levaduras en la etapa de semilla hasta plántula (5cm de altura), se continuó el riego con la solución Hoagland, mientras que en el régimen 2 se regó con solución nutritiva Hoagland en etapa de semilla a plántula, para luego aplicar el riego con la suspensión de levadura hasta obtener una planta adulta de 20cm. El riego con solución nutritiva Hoagland desde semilla hasta planta adulta (20cm de altura) fue usado como control negativo. El experimento se repitió 2 veces, lo que da un total de 6 réplicas por tratamiento.
Análisis nutricional final del forrajeCuando el forraje alcanzó una altura de 20cm, se tomó una muestra de 1g para determinar su calidad nutricional de acuerdo a las metodologías señaladas por la Asociación de Química Analítica (AOAC, por sus siglas en inglés)3.
El contenido de proteína cruda fue evaluado mediante el método de Kjeldhal, de acuerdo a la metodología descrita por Chow et al.11, en un digestor Foss Kjeltec 2300 (FOSS analytical, Slangerupgade, Dinamarca). Se mezclaron 10g de sulfato de potasio (V000151, Sigma Aldrich, St. Louis, MO, EE. UU.) con 0,7g de óxido de mercurio (ii) (203793, Sigma Aldrich) y 20ml de ácido sulfúrico (320501, Sigma Aldrich) con 1g de material vegetal; dicha mezcla se calentó a ebullición hasta clarificar la muestra. Una vez clarificada la muestra se dejó en ebullición durante 30min, posteriormente se dejó enfriar a temperatura ambiente y se agregaron 90ml de agua desionizada. Se añadieron 25ml de solución de sulfato de sodio (239313, Sigma Aldrich) al 4%, lo que permitió la formación de 2 capas visibles. Luego se colectaron por destilación 50ml de la mezcla y se determinó por titulación la cantidad de amonio presente en dicha alícuota, usando como solución estándar ácido clorhídrico 0,1N (84415, Sigma Aldrich).
El contenido de energía bruta, definido como la cantidad de energía liberada como calor (en kcal/g) cuando el alimento es quemado por completo3, fue determinado en un calorímetro Parr 1261 (Moline, Illinois, EE. UU.). La determinación del porcentaje de lípidos en las muestras de FVH se llevó a cabo mediante el método de Soxhlet3. Para esto, los lípidos fueron extraídos aplicando éter de petróleo (184519, Sigma Aldrich) y evaluados como porcentaje del peso después de evaporar el solvente, mediante el uso de un sistema Soxtec 2050 (FOSS analytical). Por su parte, los porcentajes de humedad y de cenizas se determinaron, respectivamente, mediante el secado y el calcinado de la muestra en un horno rotativo Polin Rotodrago6080 (Verona, Italia).
Mediante espectrofotometría de absorción atómica en un equipo Shimadzu HIC6A (Shimadzu, Kyoto, Japón) se determinó el contenido de electrólitos como calcio, magnesio, potasio, sodio, cloro y sulfatos.
Análisis estadísticoEl efecto de los tratamientos sobre las variables de respuesta estudiadas se analizó utilizando un modelo lineal general a través del procedimiento GLM de SAS (2004). Antes de realizar dicho análisis estadístico, los porcentajes fueron transformados a valores de arcoseno para su aproximación a una distribución normal42. La comparación de medias se realizó mediante una prueba de Tukey utilizando el software estadístico Minitab® 17.1.0 (2014).
Resultados y discusiónEfecto del riego con suspensión de levaduras sobre el contenido nutricional final del FVHIndependientemente de la levadura aplicada, así como de la etapa de crecimiento del FVH de maíz en la que fueron aplicadas, en los tratamientos con levaduras se observó un incremento significativo (p<0,05) de todos los parámetros nutricionales evaluados (figs. 2 y 3). Los contenidos de humedad, de cenizas y de proteínas totales del forraje fueron los que más se incrementaron: un 7%, un 1,7% y un 1,4% en promedio, respectivamente (figs. 2b, c, d). Otras variables nutricionales como lípidos, sulfato, magnesio y calcio mostraron un incremento promedio más bajo, de un 0,8%, un 0,1%, un 0,09% y un 0,008%, respectivamente, cuando el FVM fue irrigado con las levaduras (figs. 2a, fig. 3a, b, f). Sin embargo, las concentraciones de estos nutrientes fueron significativamente mayores (p<0,05) que las encontradas en el forraje irrigado con solución Hoagland (figs. 2 y 3).
Efecto de levaduras sobre el contenido de lípidos (A), de cenizas (B), de proteínas totales (C), de humedad (D) y de energía (E), en el forraje verde hidropónico de maíz sometido a diferentes regímenes de irrigación. Las letras mayúsculas indican diferencias significativas entre los tratamientos, mientras que las letras minúsculas indican diferencias significativas entre las etapas de crecimiento (análisis estadístico mediante GLM seguido por una prueba de Tukey, α=0,05).
Efecto de levaduras sobre el contenido de calcio (A), magnesio (B), potasio (C), sodio (D), cloro (E) y sulfatos (F) en el forraje verde hidropónico de maíz sometido a diferentes regímenes de irrigación. Las letras mayúsculas indican diferencias significativas entre los tratamientos, mientras que las letras minúsculas indican diferencias significativas entre etapas de crecimiento (análisis estadístico mediante GLM seguido por una prueba de Tukey, α=0,05).
Se ha reportado el potencial de diversas levaduras para promover el crecimiento de plantas mediante diferentes mecanismos1,31. Dentro de estos mecanismos, la producción de compuestos como ácido indol-3-acético y otros ácidos orgánicos, así como de giberelinas, putrescina y cadaverina se ha vinculado con la capacidad de incrementar el contenido de lípidos, proteínas, hidratos de carbono y minerales en diversos cultivos de interés comercial5,46. La producción de compuestos con mecanismos de promoción de crecimiento en plantas explicaría el incremento en los valores nutricionales del forraje.
En una publicación reciente, Loomis et al. mencionan que el forraje con porcentajes de proteína cruda superiores al 16% es considerado un forraje de calidad24. En el presente estudio, todos los tratamientos regados con las suspensión de levaduras alcanzaron un contenido de proteína cruda del 19% (fig. 2c). La importancia de las proteínas en el forraje recae especialmente durante la lactancia y el crecimiento de rumiantes jóvenes, donde las proteínas son el principal nutriente implicado en el desarrollo del ganado29. Por otro lado, el contenido de energía bruta en el forraje fue significativamente mayor (p<0,05) cuando se irrigó con levaduras que cuando se aplicó solo solución Hoagland (fig. 2e). Esto se debe a que el contenido de proteína está relacionado con el contenido energético para el ganado26.
La irrigación con levaduras generó un incremento en el contenido de humedad del forraje del 7% (fig. 2d). Se ha observado que la cantidad de leche producida por el ganado lechero se relaciona con la humedad en el forraje43; así también, se reporta que el agua requerida para el mantenimiento del ganado usualmente no es provista en su totalidad por el forraje, por ello se vuelven necesarias las fuentes de agua externas, sobre todo en zonas semiáridas o con climas adversos29.
De igual manera, los porcentajes de lípidos y de cenizas fueron mayores en los tratamientos irrigados con la suspensión de levaduras (p<0,05) que en el irrigado con solución Hoagland (fig. 2a, b). El incremento en parámetros nutricionales como lípidos y cenizas influye directamente en la digestibilidad del FVH, la cual se encuentra dada por su contenido químico y dictamina la cantidad de nutrientes que serán aprovechados por el ganado19. Se ha determinado que forrajes con cantidades altas de lípidos tendrán altos coeficientes de digestibilidad y una mejor reabsorción de nutrientes, a diferencia de los forrajes con altos contenidos de cenizas y bajo contenido energético, los cuales presentan bajos coeficientes de digestibilidad19.
El contenido de electrólitos en el forraje fue también afectado por la irrigación con levaduras: se observó un mayor efecto en compuestos como potasio, sodio y cloro (incrementos promedio de un 0,12%, un 0,38% y un 0,81%, respectivamente). Se ha descrito como una necesidad frecuente el suplementar la deficiencia de sodio en el alimento del ganado con sal común28. En este estudio, los forrajes regados solo con solución Hoagland presentaron valores altos de estos electrólitos comparados con los valores promedio en forrajes reportados por Miller28. Las ventajas del crecimiento de cultivos en sistemas hidropónicos han sido ampliamente documentadas y entre ellas destacan, principalmente, el uso eficiente del agua y la mayor captación de nutrientes, así como la eliminación de la restricción para el crecimiento de la raíz16,47.
Efecto de la etapa de crecimiento del forraje en la que fueron aplicadas las suspensiones de levaduras sobre el contenido nutricional final de FVH de maízIndependientemente de la etapa de crecimiento en la que fueron aplicadas las suspensiones de levaduras, se observó un incremento significativo (p<0,05) de los valores nutricionales del FVH en el momento de su cosecha comparado con el forraje obtenido bajo riego constante con la solución nutritiva Hoagland (figs. 2 y 3). Sin embargo, cuando las levaduras fueron aplicadas a partir de la etapa de plántula se registraron los mayores contenidos de casi todos los electrólitos probados, a excepción del calcio (fig. 3), el cual presentó un comportamiento similar con todos los regímenes de riego.
Se ha descrito que la madurez del forraje está relacionada con el grado de digestibilidad del alimento. A medida que el forraje madura, el contenido de fibra (principalmente de celulosa y lignina) va en aumento mientras que el contenido de proteína decrece, disminuyendo de esta manera la digestibilidad del forraje35. En este estudio, el contenido de proteína presente en el forraje cosechado se incrementó con la aplicación de las diferentes suspensiones de levaduras, lo que contrarrestaría el efecto adverso de la maduración sobre la digestibilidad del forraje.
Efecto de las diferentes levaduras probadas sobre el contenido nutricional final del FVH de maízSe han utilizado diversas estrategias para incrementar el contenido de nutrientes de cultivos de importancia agrícola generados en sistemas de hidroponía. En los últimos años ha surgido interés en conocer el potencial de diversas levaduras como microorganismos promotores de crecimiento vegetal1,13,14,30, estas conforman hoy el grupo de las plant growth promoting yeasts o PGPY (por su sigla en inglés)27. En el presente trabajo se evaluó el efecto de la aplicación de 4 levaduras (D. hansenii var. Fabry, Y. lipolytica YIBCS002, Y. lipolytica var. BCS y C. pseudointermedia) sobre el contenido nutricional final de FVH de maíz. Las cepas de levaduras correspondientes a la especie Y. lipolytica presentaron los mejores efectos sobre el contenido de lípidos, proteínas totales, humedad y energía (figs. 2a, c, d, e), así como de calcio, magnesio, sodio, cloro y sulfatos (fig. 3a, b, d, e, f), independientemente de la etapa de crecimiento del FVH en la que fueron aplicadas. Vassilev et al.48 reportan que la aplicación de inoculantes a base de Y. lipolytica incrementó el contenido de fósforo y peso seco de plantas de tomate debido a su capacidad para solubilizar compuestos de fosfatos, lo que representó un mayor aporte nutricional para la planta.
Los forrajes con mayor porcentaje de cenizas fueron aquellos obtenidos cuando se irrigó a partir de la etapa de plántula con la levadura D. hansenii (4,55±0,05%) (fig. 2b). Además, los forrajes irrigados con esta levadura mostraron los niveles más altos de potasio, independientemente de la etapa de crecimiento del forraje en la que fue aplicada la suspensión de levadura (fig. 3c). La levadura D. hansenii es ampliamente reconocida por su actividad antagónica contra hongos patógenos10,12,33. Asimismo, esta levadura tiene la capacidad de producir poliaminas como putrescina y cadaverina37, compuestos que estimulan la división celular de la raíz y su crecimiento45. La irrigación del FVH con esta levadura, al igual que con los otros géneros de levaduras, llevó a un incremento en variables como proteínas, lípidos, energía, humedad y minerales. Se ha indicado que las poliaminas producidas por esta levadura pueden actuar como reguladores de crecimiento en las plantas4,9, lo que afectaría directamente a las concentraciones de proteínas, lípidos e hidratos de carbono.
Comparados con los forrajes irrigados solo con solución nutritiva Hoagland, los forrajes irrigados con la levadura C. pseudointermedia mostraron, al igual que aquellos irrigados con las otras levaduras, un incremento significativo (p<0,05) de todos los compuestos evaluados. Sin embargo y a diferencia de lo observado con las cepas de Y. lipolytica y con D. hansenii, el efecto mostrado por el riego con C. pseudointermedia fue mayor cuando la levadura fue aplicada durante todo el proceso de cultivo que cuando fue aplicada solo durante las etapas de semilla a plántula (figs. 2 y 3). Se ha comunicado recientemente la promoción del crecimiento vegetal por levaduras del género Candida, debido a su capacidad para producir ácido indol-3-acético y ACC deaminasa1. La irrigación con la levadura C. pseudointermedia mostró un incremento en todos los parámetros nutricionales analizados en el FVH. Como se mencionó, este género de levaduras tiene la capacidad de producir compuestos que han sido relacionados con el incremento de lípidos, de hidratos de carbono y de proteínas, así como con una mayor absorción de minerales o nutrientes por la planta1, dato que corrobora los resultados obtenidos en este estudio.
ConclusionesEste trabajo demostró que la aplicación de levaduras en forraje crecido en hidroponía induce un incremento en el contenido nutricional del FVH; esto indica un efecto promotor por parte de las levaduras probadas, que evita la disminución de la calidad nutricional del forraje causada por el proceso de maduración. Sin embargo, se requieren más investigaciones referidas a los posibles mecanismos de las levaduras que han demostrado afectar de manera positiva al desarrollo del forraje a base de maíz. Aun así, el potencial de estas levaduras podría ser aprovechado para la obtención de alimento de alto contenido nutricional en sistemas hidropónicos.
Responsabilidades éticasProtección de personas y animalesLos autores declaran que para esta investigación no se han realizado experimentos en seres humanos ni en animales.
Confidencialidad de los datosLos autores declaran que en este artículo no aparecen datos de pacientes
Derecho a la privacidad y consentimiento informadoLos autores declaran que en este artículo no aparecen datos de pacientes.
Conflicto de interesesLos autores declaran no tener ningún conflicto de intereses.
El presente trabajo fue realizado con fondos otorgados por la Universidad Autónoma de Baja California Sur, así como del Centro de Investigaciones Biológicas del Noroeste. Agradecemos al M.C. Manuel Moreno, del Centro de Investigaciones Biológicas del Noroeste, el apoyo técnico y la asesoría en la generación de las gráficas del presente trabajo.
