Este documento técnico del Consejo Europeo de la Industria de Bioestimulantes (EBIC) es una revisión científica del modo en que actúan los bioestimulantes basados en algas marinas. Los bioestimulantes de plantas se definen como productos fertilizantes que estimulan procesos nutricionales de las plantas con el fin de mejorar algunas características de la planta o su rizosfera. Por ejemplo, la eficiencia de absorción de nutrientes, la tolerancia a estrés abiótico, mejora de rasgos de calidad o de la disponibilidad de nutrientes retenidos en el suelo o la rizosfera (EU, 2019). Como esto ocurre de manera independiente del contenido de nutrientes del compuesto, los bioestimulantes son definidos por sus funciones, pudiendo incorporar un amplio rango de componentes en sus formulaciones (Yakhin et al., 2017).
Uno de los componentes más comunes de los bioestimulantes son los extractos de algas marinas, los que frecuentemente son obtenidos de algas marrón (Ascophyllum nodosum, Laminaria spp., Macrocystis spp., etc.), algas rojas (Kappaphycus alvarezii, Palmaria spp., Gracilaria spp., etc.) y algas verdes (Ulva spp. y Enteromorpha spp.) (Goñi et al., 2020; Sujeeth et al., 2022). Los componentes se extraen mediante diferentes procesos: extracciones acuosas alcalinas, neutras o ácidas; disrupción por molienda a alta o baja presión, con la posterior adición de un ácido, álcali o agua; ruptura de células por bajas temperaturas y altas presiones; y trituración de algas congeladas para obtener una suspensión de partículas (Baltazar et al., 2021).
Se estima que el mercado global de bioestimulantes de plantas, no microbiales, incluyendo aquellos basados en extractos de algas, era de 2.540 millones de dólares en 2021 y que alcanzó los US$2.830 millones en 2022, con una tasa de crecimiento agregado, acumulado, de 11,3-11,6% (Dunham-Trimmer 2022, pers. com.). A los bioestimulantes basados en extractos de algas les correspondió 758 millones de dólares en 2021 (Dunham-Trimmer 2022, pers. com.), alcanzando cerca de 29,8-33,5% del mercado global de bioestimulantes (North Sea Farm Foundation, 2018, Dunham Trimmer 2022, pers. com.). Con la entrada en vigencia de la nueva Regulación de Productos Fertilizantes en julio de 2022, la que reglamenta la entrada de bioestimulantes en el Mercado Único de la Unión Europea (EU, 2019), se espera que en los próximos años se incremente el uso de bioestimulantes basados en extractos de algas.
Las algas marinas han sido usadas desde la antigüedad como enmienda de suelo tanto directamente o como compost para mejorar la productividad de los cultivos de las regiones costeras. Tradicionalmente la incidencia de su uso en cuanto al incremento de l crecimiento, vigor y rendimiento de los cultivos eran atribuidos al aporte de nutrientes esenciales y a la mejoría de la textura del suelo y de su capacidad de retener agua. El primer extracto líquido de algas marinas, producido en 1950, fue históricamente conocido como ‘fortalecedor de plantas’ al promover el crecimiento y el rendimiento del cultivo, independientemente del contenido de fertilizante del extracto (Craigie, 2011). En tanto algunos estudios iniciales indicaban que su bioactividad se debía a hormonas vegetales o fitohormonas en los extractos de algas marinas, estudios posteriores aclararon que los efectos observados en las plantas se debían a la estimulación de vías moleculares en las propias plantas y no a las hormonas contenidas en los extractos.
Esta revisión científica analiza el ‘estado del arte’ del conocimiento sobre los mecanismos por los que los productos que contienen extractos de algas benefician a las plantas y se centra en los productos con funciones bioestimulantes.
Un extracto del alga marina roja Kappaphycus alvarezii mejoró el crecimiento y mitigó el estrés abiótico
LAS PRIMERAS HIPÓTESIS
Hasta principios de la década de 2010 los estudios frecuentemente caracterizaban de manera equivocada los modos de acción de los bioestimulantes de plantas basados en algas marinas.
A medida que los bioestimulantes comenzaron a ser intensamente investigados durante las pasadas décadas (Brown and Saa, 2015; Yakhin et al., 2017), se demostró que los bioestimulantes basados en algas marinas estimulaban el enraizamiento de esquejes de camelia (Ferrante et al., 2013) y el crecimiento de las raíces de plantas de rúcula (Vernieri et al., 2005), por mencionar algunos efectos bioestimulantes verificados en diferentes cultivos. Los estudios también demostraron que podían incrementar significativamente el contenido de clorofila, en tanto reducían el contenido de nitrato en las hojas de rúcula (Vernieri et al., 2005).
La hipótesis era que el bioestimulante probablemente incidía en el metabolismo del nitrógeno en la planta, acelerando la incorporación de nitrato por medio de la activación de enzimas asociadas. El alto contenido de clorofila incrementa el proceso de fotosíntesis e indirectamente estimula la reducción del nitrato, debido a que las dos vías fisiológicas están estrechamente acopladas (Vernieri et al., 2005). Algunos de los estudios así mismo señalaban que ciertos extractos de algas marinas contenían hormonas vegetales, lo que podría explicar los efectos biológicos observados en las plantas en las que son aplicados (revisado por Baltazar et al., 2021).
Sin embargo, el supuesto de que el contenido de hormonas de algunas algas marinas eran las principales responsables de la bioactividad observada en las plantas tratadas fue revisado por Wally et al (2013a; 2013b). Para el estudio analizó -mediante instrumentación analítica de alta sensibilidad y exactitud (UPLC-ESI–MS/MS)- extractos comerciales de las especies de algas marinas más comúnmente utilizadas, encontrando muy bajos niveles de hormonas vegetales. Los autores consideraron poco probable que los extractos de algas marinas indujeran algún tipo de respuesta fenotípica a las fitohormonas en las aplicaciones de campo en vista de que las concentraciones mínimas requeridas para generar cambios fenotípicos en las plantas son significativamente más altas que las concentraciones reportadas en los extractos de algas comerciales.
El consenso entre los expertos es que la concentración mínima de fitohormona requerido para generar un cambio fenotípico en las plantas corresponde a 100 nM para las auxinas (Doyle et al., 2019; Kramer and Ackelsberg, 2015; Robert et al., 2010), 10 nM para las citoquininas (Shen et al., 2014; Street et al., 2016; Werner et al., 2001), o 100 nM para brasinosesteroides (Zhou et al., 2013). Al comparar dicha concentración mínima con estudios que muestran que hay muy poco (o nada) de fitohormonas en el contenido de los extractos, se confirma que están muy por debajo de los niveles umbrales requeridos para lograr un efecto fisiológico.
A LA LUZ DE TÉCNICAS ANALÍTICAS MÁS PRECISAS
Temprano en la década de 2010, técnicas analíticas más precisas han arrojado luz en los compuestos de carbohidratos y vías metabólicas involucradas en el modo de acción de los bioestimulantes basados en algas marinas.
Estudios recientes han aportado una mayor comprensión de los mecanismos moleculares relacionados con los efectos bioestimulantes de los extractos de algas marinas en los cultivos. Con el tiempo se ha visto que el efecto de los bioestimulantes basados en algas varía dependiendo del tipo de alga utilizado (ej. marrón o roja), del lugar y momento en que se recolecta la materia prima, de las condiciones del área en que las algas son cosechadas, pero también, que varía en función del proceso productivo, lo que incluye las condiciones de temperatura y pH del proceso de extracción (Goñi et al., 2018; Staykov et al., 2021).
Se ha evidenciado que la capacidad de los extractos de A. nodosum para aumentar la tolerancia a estrés abióticos está muy asociada a (a) el tipo de extracto, (b) las características bioquímicas del extracto y (c) el tipo de estrés que se enfrente (Guinan et al., 2013). Los extractos obtenidos bajo diferentes condiciones (ej. de temperatura) presentan diferentes moléculas bioactivas por lo que cuando son aplicados a los cultivos los resultados varían en las plantas (Guinan et al., 2013).
Por ejemplo, un extracto de A. nodosum obtenido con temperaturas por sobre 125°C logra mejorar la tolerancia a estrés abiótico, lo que puede ser explicado por su alto contenido de polifenoles y mayor actividad antioxidante (Guinan et al., 2013). Así mismo, tres extractos comerciales de A. nodosum obtenidos bajo diferentes condiciones de extracción mostraron inducir diferentes grados de tolerancia a estrés por sequía cuando fueron aplicados en plantas de tomate (Goñi et al., 2018). Sin embargo, el estudio remarcó que todavía se dispone de “muy poca información publicada que relacione la composición química con la actividad bioestimulante y los cambios a nivel molecular en la planta” (Goñi et al., 2018). Revisiones aun más recientes asocian carbohidratos clave en los extractos de algas con la tolerancia a estrés hídrico y al mejor desarrollo de las plantas (Goñi et al., 2020; Sujeeth et al., 2022).
Se ha evidenciado la capacidad de los extractos de A. nodosum para aumentar la tolerancia a estrés abióticos.
PROTECCIÓN CONTRA EL ESTRÉS ABIÓTICO
El mecanismo conocido como “Molecular priming” ha sido propuesto como el inductor de tolerancia a estrés abiótico y oxidativo luego de aplicaciones de extractos del alga A. nodosum en los cultivos (Kerchev et al., 2020). Por ejemplo, un extracto de A. nodosum obtenido bajo condiciones de altas temperatura y presión mostró que previene el daño por estrés oxidativo (Omidbakhshfard et al., 2020). El análisis transcriptómico reveló que en las plantas tratadas con extractos de algas marinas no se habían expresado genes asociados a especies de oxígeno reactivo (ROS). Los genes asociados con ROS o los genes relacionados con la autofagia inducen muerte de células y al contrario de las plantas tratadas, aumentaron en plantas estresadas no tratadas. Los análisis metabólicos mostraron que las plantas tratadas con determinados extractos de algas marinas tenían niveles más altos de varios metabolismos primarios, incluyendo maltosa y rafinosa, los que contribuyen a proteger del estrés. El análisis del perfil lipídico reveló que las alteraciones en los lípidos después de la aplicación de extractos de algas marinas estaban asociados a menor muerte celular y degradación de cloroplastos. Adicionalmente, los extractos de algas marinas estimularon el crecimiento gracias a regulación positiva de la fotosíntesis, la señalización hormonal y activación de genes relacionados con el crecimiento (Omidbakhshfard et al., 2020).
Un estudio de seguimiento probó el efecto del mismo extracto de A. nodosum en tomate, pimiento y la planta modelo Arabidopsis thaliana (primera planta a la que se secuenció el genoma completo) y concluyó que el extracto es capaz de mitigar la respuesta el estrés oxidativo en las tres especies vegetales (Staykov et al., 2021). En las tres especies redujo la aparición de lesiones por estrés oxidativo al impedir la acumulación de ROS en los tejidos estresados, mitigó el impacto negativo del estrés en los parámetros de fotosíntesis y reconfiguró el perfil metabólico de las plantas estresadas que fueron tratadas, las que mostraron patrones muy diferentes a los de las plantas estresadas que no fueron tratadas (Staykov et al., 2021).
Una investigación de Rasul et al., (2021) reveló que el mismo extracto de A. nodosum tenía la capacidad de proteger a las plantas del estrés hídrico severo. Este estudio mostró que el tratamiento foliar usando ese extracto específico de A. nodosum, previo al evento de estrés, pudo inducir cambios en la expresión de los genes de las plantas tratadas. El tratamiento con extracto de algas marinas reguló a la baja o reprimió la expresión del gen regulador de crecimiento negativo sensible al estrés -RESPONSIVE TO DESSICATION 26 (RD26)- e indujo una mayor expresión del gen Histone H4 (HIS4), crucial para mantener el meristemo apical del brote y el crecimiento bajo sequía severa. El estudio concluyó que ese extracto de alga marina tenía el potencial para aumentar la tolerancia a los desafíos del cambio climático (Rasul et al., 2021).
Un bioestimulante comercial en base a extracto de A. nodosum, pero obtenido mediante un proceso de extracción en frío, incrementó los niveles de prolina, reguló al alza la vía de señalización del etileno y a la baja la vía del ácido jasmónico, mejorando el crecimiento de plantas de A. thaliana bajo estrés hídrico (Fleming et al., 2019). El mismo extracto, pero aplicado a plantas de A. thaliana sometidas a estrés por calor, sobre expresó varios genes asociados a la regulación de la transcripción y las vías de señalización del etileno, reduciendo la acumulación de ROS, preservando la integridad de la membrana celular e incrementando el contenido de clorofila (Cocetta et al., 2022).
Otro extracto de A. nodosum mostró promover el crecimiento de las plantas de maíz en condiciones de deficiencia de fósforo (P), a través de una serie de mecanismos, ninguno de los cuales se asociaba a hormonas vegetales (Shukla and Prithiviraj, 2021). Las semillas de maíz fueron tratadas con el extracto de alga y las plántulas de 7 días fueron cultivadas en condiciones de deficiencia de fósforo por 14 días. Al final de dicho período la biomasa de raíces y brotes de las plantas tratadas fue mayor que en las plantas no tratadas y, además, tenían un mayor contenido de nitrógeno y fósforo. El extracto también aumentó el contenido de clorofila respecto de las plantas no tratadas y redujo el contenido de antocianina. Las plantas tratadas presentaron una significativa menor pérdida de electrolitos gracias a una mayor estabilidad de la membrana y una menor acumulación de ROS. El extracto -además- modificó el perfil bioquímico de las plantas tratadas, las que presentaron mayor concentración de sólidos solubles totales y aminoácidos y menor concentración de componentes fenólicos y flavonoides. Un análisis transcriptómico reveló la inducción de genes relacionados con la homeostasis del fósforo, transportadores de sacarosa, translocadores de glucosa, así como de genes relacionados con el metabolismo secundario, todo lo cual ayudó a las plantas tratadas a reducir los efectos negativos de la deficiencia de fósforo (Shukla and Prithiviraj, 2021).
En lo relativo a mejorar la eficiencia de uso de nutrientes, un extracto de A. nodosum permitió reducir en más de un 27% las aplicaciones de nitrógeno, en tanto se mantuvo o incrementó el rendimiento (Goñi et al., 2021). Dicho extracto estaba compuesto por carbohidratos (26%), polifenoles (12,3%), otros componentes orgánicos (18%) y ceniza (43,7%) y fue aplicado a A. thaliana y cebada vía foliar o como fertilizante granular recubierto. Un análisis de expresión genética indicó una regulación positiva de tres transportadores de nitrato en la membrana de las raíces de las plantas de cebada tratadas, lo que llevó a un incremento de entre 17,9-72,2% del contenido de nitrato en los brotes. La aplicación del extracto de alga marina, además, mejoró la actividad de la nitrato reductasa y de la glutamina sintasa e incrementó el contenido de aminoácidos libres (glutamato, glutamina, aspartato, prolina), de proteínas solubles y de pigmentos fotosintéticos (clorofila y carotenoides) en las plantas tratadas.
Investigación básica adicional -orientada a estudiar el modo de acción de los bioestimulantes- ayudaría a entender sus condiciones óptimas de uso. Estos podrían probarse en los cultivos más importantes para establecer su potencial contribución a la meta del Pacto Verde de la UE (EU Green Deal), el que pretende reducir en un 20% el uso de nitrógeno en la agricultura (Goñi et al., 2021).
MODO DE ACCIÓN DEPENDIENTE DEL PROCESAMIENTO
La evidencia acumulada durante los últimos años sugiere que el modo de acción de los bioestimulantes basados en algas es dependiente de sus características fisicoquímicas, las que derivan de sus condiciones de procesamiento. En un estudio reciente se reveló un vínculo entre el tamaño molecular más pequeño de los carbohidratos en los extractos de A. nodosum y la mayor tolerancia al estrés por calor en plantas de tomate en etapa reproductiva (Carmody et al., 2020). Apuntando a lo mismo, un análisis comparativo reportó diferencias significativas en la eficacia en tres bioestimulantes basados en extractos de A. nodosum respecto de la mayor eficiencia de uso del nitrógeno en trigo de invierno. Todos estos resultados enfatizan el rol de las condiciones de procesamiento en la producción de los bioestimulantes para resolver problemas agronómicos específicos (Łangowski et al., 2022).
Nuevas investigaciones han confirmado que la concentración de fitohormonas en los extractos de algas marinas es muy baja como para provocar respuestas fisiológicas en las plantas, en particular cuando se consideran las bajas tasas de aplicación de los productos en condiciones de campo (revisado por Baltazar et al., 2021). Si bien está reportada la presencia de ciertas hormonas en los extractos de algas marinas, pero en concentraciones muy bajas (nanogramos o picogramos por mL), en algunos extractos incluso han estado por debajo del umbral detección. Esto sugiere su posible total ausencia en muchos bioestimulantes de algas marinas (Baltazar et al., 2021). Según la evidencia, sería la modulación de las vías de las fitohormonas dentro de la planta la que promueve el crecimiento y desarrollo bajo condiciones de estrés (Deolu-Ajayi et al., 2022).
Una reciente revisión de Sujeeth et al. (2022) también analizó varios estudios funcionales que demostraron que las concentraciones traza de fitohormonas encontrados en algunos extractos de algas marinas no son la causa de los efectos observados en las plantas tratadas. Dichos estudios fueron llevados a cabo con mutantes biosintéticos insensibles a fitohormonas y los resultados sugieren que las alteraciones fenotípicas de la planta (incidencia en el crecimiento), posiblemente se debían a cambios asociados a hormonas endógenas, más que a los efectos de las fitohormonas exógenas aportadas por los extractos de algas marinas.
Por otro lado, componentes químicos únicos -presentes en abundancia en las algas marinas- podrían inducir vías no hormonales o señales hormonales endógenas de crecimiento en las plantas tratadas, como parte de otras redes reguladoras que modulan el crecimiento de la planta (Sujeeth et al., 2022). La revisión también resumió los recientes avances que han definido los mecanismos genéticos y moleculares activados por los bioestimulantes de algas marinas, su influencia en la reconfiguración de transcriptoma, el ajuste de metabolitos y protección contra el estrés, así como mejora en la toma de nutrientes, crecimiento y desempeño de la planta. Otro estudio demostró una mejor absorción de nitrógeno y una expresión diferencial de marcadores genéticos implicados en la percepción y el transporte de nitratos en las plantas tratadas con extractos de algas marinas (Langowski et al., 2022).
FALTA INVESTIGACIÓN EN OTROS TIPOS DE ALGAS
Los extractos de A. nodosum son los más ampliamente estudiados y los mejor caracterizados de los bioestimulantes basados en algas marinas, tanto en términos de sus efectos fenotípicos en los cultivos como de los mecanismos moleculares involucrados (Baltazar et al., 2021). En contraste, los mecanismos de los extractos de otras algas marinas permanecen mayormente inexplorados. Un estudio funcional con un extracto del alga marina verde, Ulva intestinali, demostró que la incidencia en el crecimiento observado en A. thaliana no se debía a las fitohormonas en el extracto (Ghaderiardakani et al., 2019), así como un extracto crudo de Ulva sp., compuesto de múltiples polisacáridos, demostró promover el crecimiento de A. thaliana de forma dependiente de la dosis y de la intensidad de la luz (Shefer et al., 2022). Por otro lado, los polisacáridos de la pared celular de algas rojas, los que persisten en sus extractos, han mostrado que activan vías de señalización y metabolismo basal que estimula la división celular y el crecimiento en las plantas tratadas (González et al., 2013). Por su parte, un extracto del alga marina roja Kappaphycus alvarezii, mejoró el crecimiento, mitigó el estrés abiótico y reguló positivamente genes de respuesta al estrés tales como WCK-1, TaWRKY10, TdCAT y TdSOD cuando fue aplicado a trigo común (Triticum spp.).
(Patel et al., 2018). La sobreexpresión de genes transcriptores para el metabolismo de ácidos grasos, síntesis de almidón, transporte y metabolismo de nutrientes, así como del ciclo y división celular en maíz dulce luego de ser tratado con extracto de K. alvarezii (Kumar et al., 2020). Es necesario seguir investigando para caracterizar las redes de señalización molecular moduladas por bioestimulantes de plantas basados en otras algas marinas para determinar su modo de acción y nivel de eficacia.
En general, los estudios más recientes sugieren que ciertos carbohidratos u otros compuestos no hormonales que se encuentran en las algas marinas, pero que están ausentes en las plantas terrestres, podrían ser responsables de modos de acción específicos de los extractos de algas marinas como bioestimulantes (Deolu-Ajayi et al., 2022). Más específicamente, la creciente evidencia destaca a los carbohidratos de las algas marinas como los componentes esenciales en la acción bioestimulante de las plantas en la mayoría de los extractos de algas marinas comerciales. Durante los pasados 10 años, muchos artículos científicos han descrito la actividad biológica de algunos polisacáridos y oligosacáridos extraídos de algas marinas, así como sus roles mejorando la eficiencia de uso de nutrientes o la tolerancia a estrés abiótico (Carmody et al., 2020; Goñi et al., 2020; Sujeeth et al., 2022). Debido a que el contenido y peso molecular de esos carbohidratos bioactivos es determinado por las condiciones de extracción del extracto de alga marina, lo esperable es que esa variabilidad explique la diferente bioactividad observada en los extractos comerciales. Más información sobre el modo de acción de los bioestimulantes en base a algas marinas llevará a mejorar los productos y a la aplicación sinérgica de extractos de algas marinas combinadas con otras tecnologías bioestimulantes, lo que permitirá enfrentar los actuales y futuros desafíos de la producción agrícola.
EFECTOS INDEPENDIENTES DE CUALQUIER ACCIÓN HORMONAL
Múltiples publicaciones científicas han demostrado que no son las fitohormonas las responsables de los efectos bioestimulantes observados en los cultivos tratados con extractos de algas marinas. De hecho, estudios recientes demostraron que los extractos de algas marinas modulan la expresión de genes en las plantas tratadas, mejorando la eficiencia del uso de nutrientes y la tolerancia a estrés abiótico, entre otros efectos bioestimulantes.
Estos mecanismos han probado ser independientes de cualquier hormona vegetal de crecimiento, compuestos que pueden estar presentes (o no) en los extractos de algas marinas. En la actualidad, el principal candidato de los efectos bioestimulantes de los extractos de algas marinas son los compuestos de carbohidratos complejos que se encuentran en los extractos, aunque otros tipos de componentes no hormonales también podrían estar involucrados, de manera independiente o en combinación con los carbohidratos. Es necesaria más investigación a nivel molecular para terminar de comprender los cambios y vías que inducen los extractos de algas marinas.
