Tlajo Cultiva

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Nanopartículas de Selenio para la agricultura sostenible

Desde el inicio de la agricultura, hace más de 10,000 años, los seres humanos han domesticado más de 600 especies de animales y plantas. En la actualidad, sólo cuatro especies animales y 10 especies vegetales representan más del 80% de los recursos alimentarios consumidos por los seres humanos. Con el transcurso del tiempo se fueron desarrollando prácticas agrícolas que se adaptaron a todas las especies domesticadas con la finalidad de tener un mejor manejo en función de sus condiciones edafoclimáticas y sus requerimientos culturales, generando nuevas formas de conocimiento como la producción de fertilizantes químicos solubles en agua, el desarrollo de fertilizantes micro encapsulados ad hoc, así como la selección y el mejoramiento genético, permitiendo un incremento en la producción por superficie y elevando el rendimiento de los cultivos agrícolas.

Ante el crecimiento exponencial de la población mundial se aceleró la producción de alimentos para poder abastecer la demanda alimenticia. El uso de fertilizantes químicos a base de nitrógeno (N), fósforo (P), potasio (K), entre otros, ha desempeñado un papel crucial en el aumento de la productividad y el rendimiento en los cultivos. Sin embargo, pese a los procesos implementados en los sistemas agroalimentarios para su aplicación, el uso excesivo de estos productos, en conjunto con los pesticidas químicos convencionales tienen efectos negativos para el medio ambiente y la salud humana. Esto debido a, que gran parte de los residuos que se generan son liberados al suelo, al agua y al aire como compuestos tóxicos, generando degradación ambiental y enfermedades humanas. Por ende, surge la necesidad de utilizar nuevas tecnologías y métodos alternativos capaces de generar nuevos insumos agrícolas con un enfoque amigable para el ambiente, que favorezca la producción de alimentos inocuos y que garanticen una sostenibilidad alimentaria.

El selenio (Se) es un elemento metaloide que se encuentra en la naturaleza en sus formas inorgánicas como seleniuro (Se2–), selenio elemental (Se0), selenito (Na2SeO3) o selenato (Na2SeO4) y como compuestos orgánicos selenocisteína (SeCyt) y selenometionina (SeMet). Es un micronutriente esencial requerido por una variedad de organismos como arqueas, bacterias, algas, insectos, nematodos y mamíferos, participando en procesos metabólicos y fisiológicos vitales. Aunque este elemento no es esencial para las plantas, ha sido utilizado para la biofortificación de cultivos gracias a su importancia en la salud humana y a que su ingesta podría prevenir padecimientos como algunos tipos de cáncer, así como mejorar el funcionamiento del sistema inmunológico.

La aplicación de Se en las plantas estimula su crecimiento. Sin embargo, el efecto del Se en los cultivos depende de su forma química, de la concentración aplicada, la especie de la planta y de su tolerancia de absorción en sus tejidos, siendo benéfico en bajas concentraciones, pero se torna tóxico en niveles elevados. Por ejemplo, la absorción de altas concentraciones de Se por la raíz de las plantas puede provocar síntomas de fitotoxicidad como retraso en el crecimiento, clorosis, marchitez y hojas quebradizas, disminución en la síntesis de proteínas, genera estrés oxidativo y muerte temprana de la planta. Para contrarrestar este efecto negativo de toxicidad del Se, debido a su forma química, se ha implementado el uso de nanomateriales como las nanopartículas de Se (SeNPs). Estas presentan mejoras significativas en sus propiedades fisicoquímicas y biológicas, debido a su tamaño (1 a 100 nm), mostrando alta degradabilidad, solubilidad, multifuncionalidad y su relación superficie-volumen, en comparación con sus otras formas mencionadas. En su forma nano estas SeNPs pueden ser absorbidas por la planta 20 veces más rápido. Tambien pueden tener excelentes propiedades anticancerígenas, antivirales, así como agentes antioxidantes y antimicrobianos.

Las nanopartículas (NP) pueden sintetizarse mediante procesos físicos o químicos. Los métodos físicos requieren equipos especiales y costosos. Mientras que, los métodos químicos abarcan la deposición química, procesos sol-gel, pirólisis laser y la síntesis verde; sin embargo, algunos de ellos pueden ser dañinos para el ambiente. Particularmente, la síntesis biológica o también conocida como síntesis verde, se basa en la reducción biogénica y se usan microorganismos como hongos, virus, bacterias o extractos de plantas para producir NP. Este método es considerado como el más amigable al no contener residuos tóxicos o nocivos para el ambiente, ofreciendo ventajas ecológicas, rentables y sostenibles. En el contexto de la síntesis verde, es posible obtener SeNPs mediante el uso de extractos de diferentes partes de la planta, como raíces, frutos, tallos, semillas u hojas. Esto es factible debido a que las plantas producen una gran cantidad de metabolitos secundarios con la característica de reducir las sales de metales o no metales en sus formas elementales. Algunos ejemplos de extractos vegetales utilizados para formar SeNPs se incluyen plantas como la sábila (Aloe vera), el cuachalalate blanco (Amphipterygium glaucum), calendula (Calendula officinalis), grosella (Emblica officinalis), cinamomo (Melia azedarach) y ginseng indio (Whithania somnífera).

Las SeNPs pueden ser aplicadas durante todo el ciclo del cultivo, mediante aspersiones foliares o a través de su aplicación a la raíz, proporcionando beneficios para las plantas. Aunque, el efecto positivo puede variar dependiendo de su concentración, forma disponible, método de aplicación, tipo y la etapa de crecimiento de la planta.

En la agricultura, las SeNPs pueden ser utilizadas como bioestimulantes gracias a su capacidad para favorecer el crecimiento y el desarrollo de plantas, aumentar la disponibilidad y la absorción de nutrimentos del suelo, mejorar la calidad del fruto, así como aumentar la tolerancia a distintos factores de estrés biótico y abiótico. También pueden ser utilizadas como nanopesticidas para el control microbiano e inmunidad a las enfermedades provocadas por bacterias, hongos, levaduras u oomicetos. Por ejemplo, la aplicación foliar de 30 μg/mL de SeNPs tuvo un efecto antifúngico y bioestimulante en plantas de trigo infectadas por Bipolaris sarokiniana causante de la enfermedad de la mancha borrosa, obteniendo una mejor respuesta de defensa al patógeno y aumentando el contenido de compuestos relacionados al sistema antioxidativo del trigo.

Con base en esta información, nuestro equipo de investigación de la Unidad de Biotecnología Vegetal de CIATEJ propone el uso de las SeNPs en los sistemas agroalimentarios como una alternativa amigable con el ambiente, en contraste con el uso excesivo de productos químicos (fertilizantes y pesticidas) que pueden producir toxicidad. Con un enfoque hacia el desarrollo de una agricultura productiva y sustentable, aceptable social y culturalmente y que sea económicamente viable, manteniendo y conservando la base de los bienes comunes como el agua, la biodiversidad y el suelo, así como la integridad del ambiente en un ámbito local, regional y global. Así mismo, fomentar el desarrollo de una sostenibilidad de los sistemas productivos y alimentarios, a través del uso adecuado de los recursos naturales, siguiendo los preceptos establecidos por la FAO para una alimentación y agricultura sostenibles.

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