El caso del aceite de árbol de té australiano

Los biopesticidas botánicos son productos naturales que se derivan de plantas superiores y algas, y se aplican en forma de extractos o moléculas purificadas.

Se consideran atractivos para la protección de plantas. Las plantas producen numerosos productos químicos para la defensa y la comunicación y pueden generar su propia forma de control químico contra plagas y patógenos. Estos productos químicos pueden exhibir actividad general o específica para la protección de cultivos y productos almacenados contra plagas y patógenos.

Como productos naturales, se considera que tienen mayores perspectivas de seguridad ambiental, biodegradabilidad y renovabilidad. La alta diversidad estructural de los productos naturales puede proporcionar estructuras útiles en el desarrollo de nuevas clases de pesticidas basados ​​en productos naturales, que a menudo implican mecanismos de acción novedosos. Esto, junto con su valor putativo y la reducción o eliminación de residuos químicos, que facilita la exportación y permite retrasar el desarrollo de resistencia de plagas y patógenos a los productos químicos, los convierte en compuestos líderes con bioactividades novedosas para su uso en la industria agroquímica.

Este documento revisa las ventajas, desventajas y modos de acción de las grandes clases de químicos: terpenoides, fenólicos y alcaloides y su papel en la protección de cultivos. Entre ellos, los aceites esenciales derivados de plantas han ganado gran popularidad en aplicaciones biomédicas, farmacéuticas, cosméticas, alimentarias y agrícolas. Se prestará especial atención al aceite esencial del árbol del té australiano (TTO), que se ajusta perfectamente a los criterios de los biopesticidas botánicos y responde a los desafíos de la agricultura sostenible.

MÁS SOSTENIBILIDAD

La búsqueda global de soluciones fitosanitarias que sean ambientalmente seguras y eficaces está impulsada por la necesidad de suministrar alimentos a una población mundial en constante crecimiento. El llamado a la reducción de la carga química es un aspecto importante de la agricultura sostenible.

Se requieren nuevas alternativas efectivas a los productos existentes, que puedan proporcionar modos de acción diferentes y múltiples con un menor riesgo de resistencia a los fungicidas, y que coloquen una carga química menor en el medio ambiente al mismo tiempo que un control consistente de las enfermedades, para aumentar las opciones de control.

Existe un gran interés en los medios “naturales” de control de plagas y patógenos, incluida la búsqueda intensificada de nuevas fuentes de pesticidas botánicos. La alta diversidad estructural de los productos naturales puede proporcionar estructuras útiles en el desarrollo de nuevas clases de pesticidas basados ​​en productos naturales, basados ​​en moléculas individuales o extractos de plantas, que a menudo actúan a través de nuevos mecanismos de acción.

BIOACTIVIDAD DE LOS EXTRACTOS VEGETALES

El metabolismo secundario de las plantas es responsable de la síntesis de numerosas sustancias bioactivas, que brindan protección contra insectos, patógenos y limitan el crecimiento de otras especies de plantas. Los extractos de plantas, incluidos los aceites esenciales, contienen una multitud de sustancias bioactivas, incluidos alcaloides, glucósidos, lípidos, fenólicos, terpenos y poliacetilenos (Bakkali et al., 2008; Gerwick & Sparks, 2014). Los científicos han explorado la diversidad de estas moléculas y su uso en el manejo integrado de plagas y patógenos (Isman, 2006; Freeman 2008).

Sin embargo, la cantidad de productos de base botánica sigue siendo restringida, a pesar del enorme potencial de los productos botánicos en el mercado de pesticidas, especialmente si consideramos la creciente demanda de opciones ecológicas para controlar las plagas agrícolas. El desarrollo de posibles materiales de origen vegetal para convertirlos en productos comerciales depende de varios factores, como los procesos operativos y las fuentes vegetales que contienen ingredientes activos eficaces en dosis bajas. Las plantas deben tener una amplia distribución y estar presentes en grandes cantidades en la naturaleza, de lo contrario debería ser posible cultivarlas mediante prácticas agrícolas.

MAYORES BENEFICIOS

El uso de productos botánicos para la protección de cultivos proporciona varias ventajas, ya que son eficaces para controlar la resistencia a los pesticidas (que a menudo contienen múltiples ingredientes activos), se producen a partir de fuentes renovables, generalmente no persisten en el medio ambiente, son seguros para los trabajadores, vecinos y consumidores, y permiten flexibilidad de cosecha al proporcionar intervalos cortos de reingreso e intervalos cortos previos a la cosecha.

Sin embargo, el hecho de que no estén fácilmente disponibles en todas partes, con disponibilidad estacional de productos vegetales, una producción a mayor escala problemática y, en general, no de naturaleza sistémica, junto con el hecho de que los requisitos regulatorios altamente complicados para los productos botánicos en algunas regiones, principalmente en el UE, son los mismos que para los pesticidas químicos sintéticos, pueden limitar la producción generalizada de pesticidas botánicos.

Además, la degradación y volatilización de compuestos bioactivos son los principales factores que reducen la eficiencia de los productos de origen vegetal en condiciones de campo.

BOTÁNICOS EN LA PROTECCIÓN DE CULTIVOS

Los pesticidas botánicos generalmente utilizados en la protección de cultivos contienen metabolitos secundarios, que pueden -pero no siempre- participar en la defensa de las plantas. Estos compuestos suelen pertenecer a una de tres grandes clases químicas: fenólicos, alcaloides y terpenoides, y fueron revisados ​​en la literatura por Gerwick & Sparks, 2014, Boulogne et al, 2012, Isman, 2006 y Marrone, 2019.

Los fenólicos, compuestos de fenol y polifenoles, son una gran clase de metabolitos secundarios producidos por plantas, muchos de los cuales son activos contra plagas y patógenos. Incluyen flavonoides, antocianinas, taninos, lignina y furanocumarinas.

Los isoflavonoides poseen propiedades antibióticas y antifúngicas que se producen en respuesta al ataque de patógenos. Estas moléculas activas alteran el metabolismo de los patógenos o la estructura celular, pero a menudo son específicas de los patógenos en su toxicidad.

Los taninos son polímeros flavonoides solubles en agua producidos por plantas y almacenados en vacuolas. Son activos contra los insectos porque se unen a las proteínas salivales y a las enzimas digestivas, incluidas la tripsina y la quimotripsina, provocando la inactivación de las proteínas.

Los polifenoles son una clase estructural de sustancias químicas orgánicas principalmente naturales, pero también sintéticas o semisintéticas, caracterizadas por la presencia de grandes múltiplos de unidades estructurales de fenol. El número y las características de estas estructuras de fenol subyacen a las propiedades físicas, químicas y biológicas (metabólicas, terapéuticas activas, etc.) únicas de miembros particulares de la clase. Los ejemplos incluyen ácido tánico y elagitanino. Se caracterizan por ser agentes antimicrobianos de amplio espectro activos contra levaduras, hongos filamentosos, bacterias, nematodos e insectos.

Los alcaloides son una gran clase de compuestos nitrogenados que se encuentran en muchas especies de plantas e incluyen los conocidos productos cafeína, cocaína, morfina y nicotina. Se derivan principalmente del aminoácido aspartato, lisina, tirosina y triptófano, y muchas de estas sustancias tienen poderosos efectos sobre la fisiología animal. La nicotina es un alcaloide que se produce en las raíces de las plantas de tabaco (Nicotiana tabacum) y se transporta a las hojas donde se almacena en vacuolas. Se libera cuando los herbívoros pastan las hojas y abren las vacuolas.

MÁS DE 35.000 COMPUESTOS DESCRITOS

Los terpenoides (terpenos) representan la clase más grande de metabolitos secundarios de plantas con más de 35.000 compuestos descritos y se encuentran en todas las plantas (Boulogne et al., 2012). Las clases más comunes de este grupo utilizadas para la protección de plantas incluyen: monoterpenoides, sesquiterpenoides, diterpenoides y triterpenoides.

Los monoterpenoides and sesquiterpenoides son los componentes principales de los aceites esenciales, que a menudo funcionan como toxinas y repelentes de insectos y protegen contra el ataque de hongos o bacterias.

Los triterpenos son determinantes importantes de la defensa de las plantas y de las interacciones planta-insecto/planta-hongo. La actividad antifúngica de las saponinas triterpénicas y esteroides, especialmente contra patógenos vegetales, se conoce desde hace mucho tiempo (Wolters, 1966). Son compuestos antifúngicos muy potentes y pueden considerarse como moléculas líderes potenciales para el descubrimiento de nuevos fungicidas.

Los triterpenoides son altamente estables y multifuncionales y, por lo tanto, tienen una amplia gama de aplicaciones comerciales en los sectores agrícola, alimentario, cosmético y farmacéutico como pesticidas, medicamentos, adyuvantes y antimicrobianos. Curiosamente, los extractos de plantas que contienen triterpenos con actividades farmacológicas establecidas también muestran propiedades pesticidas mejoradas. Son similares en estructura molecular a los esteroles vegetales y animales, y a las hormonas esteroides.

El más estudiado fue el árbol de Neem (Azadirachta indica), que produce repelentes alimentarios tetranortriterpenoides e inhibidores del desarrollo, incluida la azadiractina A y varios análogos (Koul 2008). Si bien algunos productos vegetales han tenido un éxito comercial limitado a nivel mundial, estos se han restringido en gran medida a Neem (triterpenoides), Derris (rotenoides), Piretro (piretrinas) y diversas mezclas de productos de aceites esenciales (p. ej., 1, 8 cineol, α-pineno, verbenona) (Isman 2006).

Pueden utilizarse como repelentes de insectos debido a su baja toxicidad para los humanos y sus propiedades biodegradables. Estas moléculas también alteran las membranas celulares de los patógenos vegetales. Es demostrable la importancia de las saponinas triterpénicas para la defensa de las plantas contra patógenos fúngicos y una correlación positiva entre los triterpenos y la resistencia de las plantas contra las plagas de insectos.

MODO DE ACCIÓN

Los pesticidas botánicos actúan directa o indirectamente sobre los patógenos y plagas de las plantas. Actúan directamente contra patógenos al inhibir la respiración y los procesos de transporte de iones en las mitocondrias y aumentar la permeabilidad de la membrana, lo que resulta en la alteración de la pared celular del hongo (Freeman y Beattie, 2008).

Presentan toxicidad para las plagas, como repelentes, como antialimentantes (sustancias gustativas que hacen que la plaga deje de alimentarse y muera de hambre), matan los huevos y alteran el desarrollo embrionario (Koul, 2008).

También se ha demostrado que los productos botánicos actúan indirectamente a través de los mecanismos de defensa de las plantas e inducen resistencia en las plantas contra patógenos, ya sea mediante resistencia sistémica adquirida o resistencia sistémica inducida acompañada por una producción elevada de proteínas PR, fenoles y fitoalexinas (p. ej., Companion, Regalia) (Marrone, 2019).

Los biopesticidas botánicos se pueden utilizar con éxito para controlar la resistencia a los pesticidas, ya sea mediante rotaciones con otros productos, de forma independiente o en mezclas en tanque, según la temporada de crecimiento, la etapa fenológica y la presión de las plagas.

En general, la resistencia a los pesticidas botánicos es muy rara y poco común. Se ha informado cierta resistencia al piretro entre algunas plagas agrícolas, particularmente aquellas con resistencia a los organoclorados, organofosforados y carbamatos.

Se han registrado y aprobado diferentes productos para el manejo de enfermedades en cultivos orgánicos en Estados Unidos. Los ingredientes activos incluyen aceites botánicos (p. ej., sésamo, romero, árbol de té) y extractos de plantas (nudillo gigante, ajo) (Marrone, 2019). En condiciones controladas, extractos y aceites esenciales de diversas especies de plantas han demostrado eficacia para inhibir patógenos vegetales (Isman, 2006).

EL CASO DEL ACEITE ESENCIAL DEL ÁRBOL DEL TÉ AUSTRALIANO

En las últimas dos décadas se ha prestado gran atención a los aceites esenciales como fuente de biopesticidas innovadores (Bakkali et al., 2008; Reuveni et al., 2009, Shao et al., 2013). Se ha descubierto que estos aceites de origen vegetal tienen muchas propiedades beneficiosas, como antioxidantes, antimicrobianas, antiprotozoarias, antivirales, antifúngicas y anticancerígenas (Bakkali et al., 2008).

Debido a sus numerosas actividades biológicas, el enorme potencial terapéutico del aceite se está explotando en las industrias farmacéutica, cosmética, agrícola y alimentaria. Entre ellos, el aceite de árbol de té australiano (TTO), conocido como aceite de Melaleuca, es un valioso aceite esencial extraído por destilación al vapor de las hojas de Melaleuca alternifolia (perteneciente a la familia Myrtaceae).

El aceite contiene muchos componentes, principalmente terpenos (p-cimeno, terpinen-4-ol, terpinoleno, 1,8-cineol, α-pineno, α-terpineno, γ-terpineno), sesquiterpenos y sus respectivos alcoholes (alcohol monoterpénico-terpineol)). Tiene un contenido máximo del 15% de 1,8-cineol y un contenido mínimo del 30% de terpinen-4-ol, que es el principal constituyente activo del TTO (Carson et al., 2006).

Se ha demostrado que el TTO es un antiséptico, bactericida y fungicida eficaz (Carson et al., 2006; Cox et al., 2000; Hammer et al., 2004; Reuveni et al., 2009; Shao et al., 2013; Yu et al., 2013). Las actividades fungicidas y antimicrobianas del TTO contra hongos patógenos se derivan de su capacidad para inhibir la respiración y alterar la barrera de permeabilidad presentada por las estructuras de membrana de los organismos vivos (Carson et al., 2002, Cox et al., 2000).

EFICAZ CONTRA UNA AMPLIA GAMA DE HONGOS FITOPATÓGENOS

Una formulación de un TTO emulsionado (como Timorex Gold (22,3 EC W/V, STK Bio-AG Technologies, Petah Tikva, Israel) permitió su uso en tejido vegetal (Reuveni et al., 2009). Se encontró que era eficaz contra una amplia gama de hongos fitopatógenos en numerosos cultivos (Reuveni et al., 2020a, 2020b, 2020c).

TTO inhibió la germinación de esporas (Reuveni et al., 2020a) y exhibió una alta actividad en el desarrollo del micelio y la formación y esporulación de esporóforos (Reuveni & Cohen, 2020b).

Un estudio de microscopía electrónica de transmisión mostró que la TTO alteraba la pared celular y la membrana celular del hongo Mycosphaerella fijiensis en las etapas 4 o 5 del desarrollo del hongo en el espacio intracelular del mesófilo de la hoja de plátano (Reuveni et al, 2020c).

Un efecto similar fue informado por Shao et al. (2013) sobre la morfología y ultraestructura del micelio, pared celular y membrana de Botrytis cinerea en experimentos in vitro. Como resultado, TTO exhibió una fuerte actividad curativa contra hongos patógenos y permitió su uso incluso cuando la enfermedad ya es visible en el tejido.

Además, una única pulverización de TTO formulada en la superficie superior de las hojas de pepino con colonias de mildiú polvoriento bien establecidas suprimió notablemente el hongo y provocó la desaparición de las lesiones de mildiú polvoriento del follaje infectado, como se muestra en la Figura 3, y provocó una fuerte contracción y alteración de hifas de hongos y células conidiales como se ve en la Figura 4 (Reuveni et al., 2020b).

También se descubrió que el TTO es un activador de los mecanismos de defensa e induce resistencia sistémicamente en las plantas de banano. La pulverización de TTO en plantas madre de banano cultivadas en el campo infectadas con marchitez por Fusarium inhibió el desarrollo de la enfermedad en plantas hijas y mejoró las proteínas relacionadas con la patogénesis (PR) (Dalio & Reuveni, no publicado).

TTO tiene una actividad funcional múltiple única y presenta diferentes modos de acción. Las actividades preventivas, curativas y supresoras del TTO, junto con la actividad indirecta a través de la planta huésped por la resistencia sistémica y el hecho de que deja poco o ningún residuo y proporciona un valor agregado significativo a los productores, hacen del TTO una herramienta única para el manejo de la resistencia y un componente importante en el control de enfermedades de las plantas.

De igual manera, en muchos casos los botánicos han sido capaces de favorecer la sanidad vegetal para hacerla más atractiva, mejorar la calidad y el rendimiento y proporcionar alimentos saludables. Se ha demostrado que agregar un biopesticida botánico, como los productos a base de TTO, aumenta los rendimientos por encima de los del químico solo y mejora la calidad de los cultivos agrícolas (Reuveni, 2019). Por ejemplo, Timorex Gold (un biopesticida a base de TTO, 22,3 EC W/V; STK Bio-AG Technologies, Petah Tikva, Israel) mejoró la uniformidad del color y mostró un porcentaje significativamente mayor de racimos llenos de color de las uvas de mesa Red Globe, en comparación con con el tratamiento estándar de etefón solo o con las vides de control sin tratar (datos no publicados).

OBSERVACIONES FINALES

Las plantas sintetizan una variedad de compuestos que pueden usarse en el manejo de patógenos vegetales. Debido a la diversidad de especies de plantas en muchos países, aún están por descubrir varias sustancias con acción inhibidora contra fitopatógenos. Sin embargo, se ha subestimado el potencial de muchos productos botánicos prometedores debido a la ineficiencia de estos materiales en experimentos en condiciones de campo. Se supone que la formulación de extractos de plantas y aceites esenciales reduce las pérdidas de compuestos bioactivos, y muchos productos de origen vegetal pueden usarse como alternativas para controlar las enfermedades de las plantas.

Para el futuro, las técnicas científicas modernas nos permitirán aumentar el potencial de muchos pesticidas-productos botánicos prometedores en el mercado al comprender mejor los mecanismos exactos que impulsan la actividad de los productos botánicos hasta el nivel molecular. Además, es importante comprender sus impactos en el comportamiento de los cultivos tratados en términos de regulación genética, procesos metabólicos y respuesta de las plantas. Estos incluyen la expresión de genes relacionados con la defensa, las proteínas relacionadas con la patogénesis, la participación en los procesos hormonales de las plantas, la comprensión de cómo las producen las plantas y cuál es su función en la propia planta. Comprender cómo las plantas regulan sus niveles en el tiempo y el espacio y cómo se pueden diseñar en plantas, algas o sistemas microbianos. Por lo tanto, el futuro de los biopesticidas botánicos al desempeñar un papel importante como agentes fitosanitarios entre los biopesticidas y la industria mundial de protección fitosanitaria es muy prometedor.

Las tendencias recientes de buscar nuevas fuentes vegetales, incluidas las algas, nuevos usos de plantas conocidas y microencapsulación y formulaciones avanzadas de aceites esenciales y nuevas moléculas vegetales potentes, abren una nueva dimensión en la protección vegetal para estos productos naturales.

En conclusión, los biopesticidas botánicos son herramientas eficaces para la producción en protección vegetal, son renovables y sostenibles, ofrecen un perfil de impacto mejorado y reducen los residuos de pesticidas. Responden a los tres desafíos de la agricultura sostenible: aumentan la productividad, promueven la calidad de los alimentos y minimizan el impacto.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Bakkali, F. Averbeck, S. Averbeck, D. e Idaomar, M. (2008). Efectos biológicos de los aceites esenciales: una revisión. Química de los alimentos. Toxicol., 46: 446–475.

Boulogne I, Petit P, Ozier-Lafontaine H, Desfontaines L, Loranger-MercirisG (2012). Productos químicos insecticidas y antifúngicos producidos por plantas: una revisión. Medio ambiente Chem Lett, 10:325–347

Carson, CF, Mee, BJ y Riley, TV (2002). Mecanismo de acción del aceite de Melaleuca alternifolia (árbol del té) sobre Staphylococcus aureus determinado mediante ensayos de tiempo muerto, lisis, fugas y tolerancia a la sal y microscopía electrónica. Agentes antimicrobianos y quimioterapia. 46: 1914–20.

Carson, C. F., Hammer, K. A. y Riley, TV (2006). Aceite de Maleleuca alternifolia (árbol del té): una revisión de las propiedades antimicrobianas y otras propiedades medicinales. Revisiones de microbiología clínica. 19: 50–62.

Cox, S. D., Mann, C. M., Markham, J. L., Bell, H. C., Gustafson, J. E., Warmington, J. R. y Wyllie, S. G. (2000). El modo de acción antimicrobiana del aceite esencial de Melaleuca alternifolia (aceite de árbol de té). Revista de microbiología aplicada. 88: 170–175.

Gerwick, BC y Sparks, TC (2014). Productos naturales para el control de plagas: un análisis de su papel, valor y futuro. Ciencia del manejo de plagas 70: 1169-1185.

Hammer, K. A., Carson, CF y Riley, TV (2004). Efectos antifúngicos del aceite de Melaleuca alternifolia (árbol del té) y sus componentes sobre Candida albicans, Candida glabrata y Saccharomyces cerevisiae. Revista de quimioterapia antimicrobiana, 53, 1081–1085.

Isman, MB (2006). Insecticidas, elementos disuasorios y repelentes botánicos en la agricultura moderna y en un mundo cada vez más regulado. Revisión anual de entomología 51, 45–66.

Koul, O. (2008). Fitoquímicos y control de insectos: un enfoque antialimentario. Reseñas críticas en ciencia vegetal 27: 24.

Marrone, PG (2019). Productos naturales pesticidas: estado y potencial futuro Pest Management Science 75: 2325–2340 https://doi.org/10.1002/ps.5433

Reuveni, M. (2019). Regev: un nuevo producto híbrido potente para el control de enfermedades de las plantas. Una mini reseña. Perspectivas sobre el manejo de plagas, 30(1):33-34. DOI: 10.1564/v30_feb_08.

Reuveni, M., Neifeld, D., Dayan, D. y Kotzer, Y. (2009). BM-608 – Un novedoso producto orgánico a base de aceite esencial de árbol de té para el control de enfermedades fúngicas en tomate. Acta Horticulturae, 808: 129-132.

Reuveni, M., Barbier, M. y Viti, AJ (2020a). Aceite esencial de árbol de té como herramienta para combatir la Sigatoka negra en plátano. Perspectivas sobre el manejo de plagas. DOI: 10.1564/v31_apr_00.

Reuveni, M y Cohen Y. (2020). Actividad del aceite esencial de árbol de té contra Bremia lactucae en lechuga. Agronomía 10, 836; doi:10.3390/agronomía10060836

Reuveni, M., Sanches, E. y Barbier, M, (2020b). Actividades curativas y supresoras del aceite esencial del árbol del té contra patógenos fúngicos de las plantas Agronomy 10, 609; doi:10.3390/agronomía10040609.

Shao, X., Cheng, S., Wang, H., Yu, D. y Mungai, C. (2013). El posible mecanismo de acción antifúngica del aceite de árbol de té sobre Botrytis cinerea. Revista de microbiología aplicada. 114: 1642-1649.

Wolters, B. (1966). Actividad antimicrobiana de esteroides y triterpenos vegetales. Planta Med. 14:392-401.

Yu D., Wang J., Shao X., Xu F., Wang H. (2015). Modos de acción antifúngicos del aceite de árbol de té y sus dos componentes característicos contra Botrytis cinerea. J. Aplica. Microbiol. 119:1253–1262. Doi: 10.1111/mermelada.1293.