Efectos sobre el crecimiento

Los efectos promotores de los brasinoesteroides sobre la elongación del tejido vegetativo han sido observados en muchas especies, pero solamente en pocas se han estudiado en detalle. En general, los brasinoesteroides se han probado para evaluar su actividad promotora del crecimiento vegetal en más de 20 bioensayos típicos para la actividad de auxinas, giberelinas y citocininas. En ellos se ha demostrado que inducen tanto la elongación como la división celular, lo que resulta en el crecimiento, engrosamiento y curvatura en coleoptilos de avena. En varios sistemas, los brasinoesteroides interactúan en forma sinérgica con las auxinas y se reporta que los brasinoesteroides pueden funcionar como auxinas en un momento y como giberelinas o citocininas en otro (^{Mandava 1988}). La elongación celular, estimulada por la aplicación de brasinoesteroides se ha determinado que se debe a un efecto sinérgico o aditivo a la originada por auxinas y giberelinas (^{Salgado et al., 2008}; ^{Gudesblat y Russinova, 2011}).

El tratamiento con las hormonas vegetales reconocidas afecta la elongación inducida por la brasinolina; las giberelinas tienen un efecto aditivo y la zeatina un efecto inhibitorio. Con las auxinas hay un sinergismo, donde la brasinolina permite a éstas inducir elongación cuando solas son inefectivas. La auxina exógena afecta la cinética de la respuesta a la brasinolina; sin embargo, el sinergismo encontrado en pepino puede atribuirse a un incremento en la amplitud de la respuesta a la auxina. Es interesante destacar que, aunque tanto las auxinas como los brasinoesteroides promueven la elongación, sus cinéticas son muy diferentes, ya que generalmente las auxinas muestran un lapso de tiempo muy corto (10 a 15 min) entre la aplicación y el comienzo de la elongación; sin embargo, los brasinoesteroides tienen un lapso de al menos 45 min con velocidades de elongación que continúan por varias horas (^{Clouse, 1996}).

Al comparar los efectos de los brasinoesteroides con los de otras sustancias reguladoras del crecimiento vegetal se destacan características tales como: una actividad a concentraciones extremadamente bajas (0.1-0.001 mg/L), que es un rango 100 veces menor que el de los otros reguladores de crecimiento vegetal, estimulan el enraizamiento, no causan deformaciones, principalmente ejercen su efecto cuando las plantas están bajo condiciones de crecimiento adversas. Estudios toxicológicos demuestran que estos compuestos no son genotóxicos, ni ecotóxicos y tampoco antigenotóxicos (^{Díaz y Fonseca 1999}).

En estudios de morfogénesis, la aplicación de los brasinoesteroides también ha mostrado resultados positivos; se ha observado que la adición de brasinoesteroides a los medios de cultivo, inducen respuestas de elongación y división celular, desdiferenciación celular con la formación de callo, o estimulan el desarrollo de brotes, bulbos y raíces. Los brasinoesteroides poseen un gran potencial para aumentar el desarrollo y crecimiento floral; por ejemplo, los bulbos de gladiolos y tulipanes embebidos en una solución de epibrasinólida origina una emergencia temprana de yemas florales y un incremento del número de flores y un elevado aumento del número (68%) y masa (85%) de bulbos y yemas bulbíferas (^{Salgado et al., 2008}).

A nivel molecular, los brasinoesteroides modifican la expresión de genes y el metabolismo de ácidos nucleicos y proteínas. En trabajos de morfogénesis in vitro, además de los reguladores de crecimiento tradicionalmente usados (auxinas, citocininas y giberelinas) se incluyen a algunos brasinoesteroides, con resultados positivos fundamentalmente en la fase de adaptación de las plántulas, en el porcentaje de germinación y vigor de las plántulas (^{Salgado et al., 2008}).

Efectos sobre el estrés biótico y abiótico

Además de su impacto en el crecimiento y desarrollo de las plantas, los brasinoesteroides juegan un papel importante en la tolerancia al estrés biótico y abiótico, tales como la resistencia a enfermedades, tolerancia a la sequía, salinidad, calor, frío, pesticidas y metales pesados entre otros (^{Bajguz y Hayat, 2009}; ^{Gomes, 2011}; ^{Vriet et al., 2012}). Las plantas también responden y se adaptan a varios factores ambientales estresantes entre los que se incluyen la sequía, el frío y la salinidad, para sobrevivir aun bajo condiciones severas. Como consecuencia se inducen varias respuestas fisiológicas y bioquímicas en las plantas; además, ya se han descrito una variedad de genes que responden a los referidos factores estresantes al nivel de la transcripción (^{González et al., 2005}; ^{Sirhindi, 2013}).

Ciertos resultados obtenidos en investigaciones anteriores demuestran que los brasinoesteroides no tienen mucho efecto cuando las condiciones de crecimiento son óptimas, pero sí cuando las plantas crecen en condiciones de estrés. Las respuestas de las plantas a diferentes tipos de estrés son asociados con la generación de especies reactivas de oxígeno, lo que sugiere que estos pueden funcionar como una señal común en las vías de señalización de las respuestas al estrés de la planta (^{Bajguz y Hayat, 2009}; ^{Kutschera y Zhi-Yong, 2012}; ^{Bajguz y Piotrowska-Niczyporuk, 2014}).

Ciertos estudios realizados en cítricos han utilizado los brasinoesteroides como mecanismo para la propagación por embriogénesis somática, ya que se ha considerado que estos biorreguladores son efectivos en los procesos morfogenéticos, utilizados generalmente a bajas concentraciones, como sustitutos o complementos de las auxinas y citoquininas (^{Hernández et al., 2010}).

La aplicación de extractos de Brasinoesteroides y susanálogos han demostrado que ayudan a la adaptación, ejemplo de ello es la presencia de una mayor resistencia del tabaco, pepino y tomate a virus y hongos patógenos (Sphaerotheca fuligenia, Botrytis, etc.). Otro ejemplo es la aplicación de 24-epibrasinoesteroide (24-EBL) que se utiliza para proteger cultivos de papa contra Phytophthora. A cultivos de cebada rociados con 24 EBL, reduce considerablemente la incidencia de la enfermedad de a la hoja, ocasionada por Helminthosporium teres Sacc. La aplicación de brasinoesteroides en plantas de tabaco, genera una resistencia a Pseudomonas syringae pv. En el caso de los pepinos, posterior al tratamiento con brasinoesteroides, se incrementó la resistencia a la peronosporosis (^{Hayat, et al., 2011}; ^{Kutschera y Zhi-Yong, 2012}).

En un estudio para el mejoramiento de la calidad de plántulas in vitro de papa, se logró obtener una mejor aclimatización cuando se trasladaron a invernaderos y mayor rendimiento de los minitubérculos. Además, se descubrió que la aplicación in vitro a bajas concentraciones del Brasinoesteroide logra mejorar la resistencia al estrés de la aclimatización in situ (^{Kowalski et al., 2003}).

En diversas investigaciones se reporta que varios de los autores mencionan que el uso de brasinoesteroides en cultivos in vitro ha demostrado ser un eficaz complemento del 2,4 D (2 mg/L), en cuanto a la inducción de callos de arroz de las variedades Pokkali y J-104. Además encontraron que estos brasinoesteroides en bajas concentraciones favorecieron la callogénesis en papa (Solanum tuberosum), brindando una mayor desagregación en suspensiones celulares y promoviendo el desarrollo de células meristemáticas y estructuras embrionarias. También fue posible observar efectos en callos de café inducidos con concentraciones de 0.01, 0.05 y 0.001 de brasinoesteroides y transferidos a un medio de cultivo embriogénico donde se observó una marcada estimulación sobre el desarrollo de los mismos (^{Rodríguez et al., 2003}).

La capacidad de los brasinoesteroides para contrarrestar los efectos inhibitorios de la salinidad sobre el crecimiento de plantas ha sido reportada en diversas investigaciones. Por ejemplo, se han tratado las semillas de Eucalyptus camaldulensis con 24-epibrasinolido, lo cual dio como resultado el aumento en la germinación de las semillas en solución salina. Del mismo modo, los compuestos 24-epibrasinolido y 28-homobrasinolido han servido para contrarrestar el efecto inhibidor de la germinación y crecimiento de plantas de arroz generado por la salinidad. El tratamiento de las semillas con soluciones muy diluidas de brasinoesteroides mejora considerablemente el crecimiento de las plantas de arroz en medios salinos (^{Seeta et al., 2002}). Con esto se demuestra la capacidad de los brasinoesteroides para conferir resistencia de las plantas contra una amplia variedad de estrés ambiental, con lo que se puede establecer que el papel de los brasinoesteroides en la protección de las plantas contra tensiones o cambios ambientales es un tema de investigación importante y puede contribuir en gran medida a la utilización de los brasinoesteroides en la producción agrícola.

Los enfoques experimentales presentados pueden dar una idea de hasta qué punto los cambios fisiológicos y bioquímicos relacionados con la tolerancia son consecuencia directa del efecto del brasinoesteroide, por ello es necesario ampliar el rango de condiciones definidas para explorar las respuestas al estrés de las plantas por efecto de los brasinoesteroides (^{Nuñez y Mazorra, 2001}).

Otros efectos (germinación y envejecimiento)

Además del crecimiento, desarrollo y resistencia de las plantas, también se ha establecido que los brasinoesteroides pueden promover la germinación de las semillas. Esto se ha corroborado en diversas investigaciones, donde el tratamiento de semillas de Eucalyptus camaldulensis con 24 epibrasinolida resultó en una mejora sustancial en el porcentaje de germinación de semillas. Del mismo modo, brasinolida, 24-epibrasinolida y 28-homobrasinolida promovieron la germinación de semillas de cacahuete. La capacidad de los brasinoesteroides para promover la germinación de las semillas también se ha observado en arroz, trigo, tomate y tabaco. Por otro lado, el fenómeno del envejecimiento en las plantas también puede ser regulado por fitohormonas, y por tanto, los brasinoesteroides también juegan un papel crucial en la regulación del envejecimiento. Al respecto, se ha reportado que los compuestos brasinólidos aceleraron el envejecimiento en Xanthium y Rumex. La capacidad de los brasinoesteroides para promover la senescencia en cotiledones independientes de pepino y hojas de frijol también ha sido reportada (^{Seeta et al., 2002}).

Modo de acción

Diferentes hipótesis se han desarrollado para explicar el efecto de los brasinoesteroides sobre la expansión celular. Se encontró que el efecto de los brasinoesteroides es determinado genéticamente y que probablemente están involucrados en todos los pasos de la regulación del crecimiento celular. Asimismo, el modo de acción está dado principalmente por un efecto sobre la biosíntesis de enzimas como una consecuencia sobre la expresión del genoma y un efecto sobre la pared y la membrana celular. Se ha demostrado que estos compuestos son capaces de influir sobre las propiedades eléctricas de la membrana, su permeabilidad, la estructura, estabilidad y actividad de las enzimas de la membrana (^{Salgado et al., 2008}).

A pesar de los numerosos estudios que se han realizado sobre el efecto de los brasinoesteroides en las diversas especies vegetales aún no existe una base exacta sobre su mecanismo de acción. No obstante, se entiende que, como en todas las uniones ligando-receptor, las interacciones débiles no covalentes juegan un papel determinante en la formación del complejo hormona-receptor.

Ciertos estudios han demostrado que una posible proteína receptora denominada BRI1, presenta ciertos dominios ricos en el aminoácido Leucina (LRR), los cuales pueden funcionar en cuanto al reconocimiento de las señales extracelulares que ocurren en la superficie de la célula. Otros estudios han revelado que efectivamente la proteína BRI1 es el receptor de los brasinoesteroides en las plantas, y a la vez se demostró la importancia que tiene el dominio extracelular de BRI1 en cuanto al reconocimiento de la brasinólida. En este mismo estudio se detalla que posteriormente se encontró que los brasinoesteroides se pueden unir directa o indirectamente a la proteína BRI1, para lograr la transducción de la señal de manera que la unión ocurre a través de una región específica dentro del dominio extracelular del receptor BRI1. Se encontró además cierta relación entre el dominio extra celular de LRR y el receptor BRI1, el cual le confiere cierta resistencia a las enfermedades, lo que ayudó a dilucidar la existencia de ciertas interacciones entre las rutas de señalización de los esteroides que confieren esta resistencia a enfermedades, por lo que se dice que los brasinoesteroides aumentan la resistencia a ataques por patógenos. También se descubrió la presencia de un dominio citoplasmático que posee actividad quinasa y que es indispensable para la transmisión de la señal hacia el interior celular, este dominio es el que posee los sitios potenciales de la fosforilación con serina y treonina, lo que permite pensar que estos sitios pueden funcionar para la activación de la quinasa a través de la homodimerización del receptor BRI1 (^{Mazorra y Nuñez, 2008}).

En general se desconoce el mecanismo de activación del complejo receptor BRI1, sin embargo existen dos hipótesis de las cuales la primera sugiere la heterodimerización BRI1-BAK1 inducida por los brasinoesteroides, y la otra plantea que los monómeros de BRI1 interactúan para formar homodímeros y que no se requiere inicialmente de BAK1 para que el receptor reconozca al ligando.

Con el estudio de plantas mutantes se ha identificado solamente un gen de señalización para brasinoesteroides, que se supone codifica una proteína similar a los receptores esteroidales en animales, la clonación de este gen codificante para la proteína BRI1 y su posterior elucidación de la estructura mostró que tiene similitud a moléculas conocidas como receptores, pero no aquellas que fueron conocidas previamente en participar en eventos de señalización de esteroides. El BRI1 es miembro de una familia de receptores transmembranales tipo cinasa que tiene similitud estructural con una variedad de proteínas y están involucradas en la interacción proteína-proteína. El BRI1 parece ser el principal receptor de brasinoesteroides en Arabidopsis (^{Salgado et al., 2008}).

Importancia de los brasinoesteroides en la agricultura

Actualmente, las ciencias agronómicas disponen de alternativas que hacen a los productos químicos menos indispensables; así mismo, el uso de bioproductos para la nutrición de las plantas ha ido en ascenso en la medida que estos demuestran que son capaces de minimizar el uso de los químicos, todo lo cual resulta de gran valor en la actualidad, ya que se van trazando pautas para modificar la llamada agricultura moderna por aquella que propugna la sostenibilidad de los sistemas agrícolas, desde el punto de vista productivo, ecológico, económico y social. El uso de brasinoesteroides promueve el crecimiento de las plantas, la germinación, la fijación de nitrógeno, la senescencia, abscisión y tolerancia al estrés, entre otros.

En la actualidad se conocen más de 40 tipos de compuestos, estructural y funcionalmente relacionados con los brasinoesteroides que tienen aplicaciones en la agricultura; las funciones más relevantes son su capacidad de aumentar el rendimiento, la calidad de las cosechas, incrementar la resistencia a pesticidas y disminuir el estrés hídrico, salino, térmico y nutritivo al estimular la síntesis de polipéptidos. Por ejemplo, el estrés salino es uno de los factores ambientales que más limita la productividad de los cultivos. La salinidad, además de inducir la degradación del suelo agrícola, reduce la capacidad de las plantas de absorber agua, causando una rápida reducción de la velocidad de crecimiento y disminución del rendimiento y la calidad de las cosechas (^{Terry et al., 2001}; ^{Pérez et al., 2002}; ^{Zullo y Adam, 2002}; ^{Nuñez et al., 2006}; ^{Serna et al., 2012}; ^{Nuñez et al., 2014}).

Los experimentos para investigar el uso potencial de brasinoesteroides en la agricultura comenzaron en los años 70's en los Estados Unidos de América y al inicio de los años 80's, del siglo pasado, además de otros países como Japón y los países de la ex Unión Soviética (URSS), confirmando su utilidad como químicos agrícolas. Desde entonces, numerosos reportes de todo el mundo han aparecido y se han patentado muchos descubrimientos para el uso de prácticas potenciales. En Bielorusia y en Rusia la producción de epibrasinólida se ha registrado oficialmente desde 1992 y recomendado para el tratamiento de diferentes cultivos agrícolas importantes tales como jitomate, papa, pepino, pimiento y cebada (^{Khripach et al., 2000}).

Incluso, los efectos económicos potenciales de estos compuestos sobre los campos de cultivo son inmensos. Debido a su origen natural y a las bajas concentraciones aplicadas tienen una gran importancia ecológica. Se sabe que en Estados Unidos de América, Rusia, China y Japón se aplicaron en cosechas de cereales, leguminosas, papa, hortalizas y se obtuvieron rendimientos significativos (^{Pérez et al., 2002}).

El cultivo del arroz ha sido beneficiado por el uso de estos compuestos, principalmente en Japón y China, ya que con la aplicación de brasinoesteroides por aspersión foliar o por riego, se ha obtenido un aumento en la producción del cultivo de 10 a 15%. Actualmente, se consiguió una aceleración en la maduración de las plantas de arroz tratadas con brasinoesteroides, se observó un efecto pronunciado para plantas cultivadas en condiciones de frío y en condiciones salinas. El tratamiento de las plántulas de arroz con una solución de 5 ppm de brasinolida, provocó un incremento de 22% en peso fresco y 31.5% en peso seco de semillas por planta, incrementando también la velocidad de crecimiento, el tamaño de la raíz y tallo (^{Khripach et al., 2000}; ^{Zullo y Adam, 2002}). En México también se ha llevado a cabo el estudio del efecto de brasinoesteroides en algunos tipos de cultivos, con lo que se han desarrollado múltiples investigaciones para su aplicación en la agricultura, siendo una alternativa para incrementar el potencial de estos cultivos, y que represente una ganancia para el productor (^{Vargas e Irizar, 2005}).

Por ejemplo, se llevó a cabo una investigación cuyo objetivo fue determinar la respuesta de híbridos androestériles y fértiles de maíz ante la aplicación de brasinoesteroide (CIDEF-4). Se evaluaron en el Campo Experimental Valle de México, en el ciclo primavera - verano 2004, dos dosis (30 y 60 g ha^-1) de fitohormona con su respectivo testigo en 10 genotipos. Para la variable de rendimiento no hubo diferencia significativa al aplicar CIDEF-4 en los genotipos en el análisis general, sin considerar el tipo de cruzas. Mientras que al efectuar un análisis separando tipos de cruzas, se observó que al aplicar CIDEF-4 en híbridos trilineales fértiles se tuvieron diferencias altamente significativas, donde la dosis de 30 g ha^-1 rindió 8.083 t ha^-1 respecto al testigo, cuyo valor fue 3.858 t ha^-1. En cambio en los híbridos trilineales androestériles no se presentaron diferencias significativas para las variables evaluadas. Sin embargo, en los híbridos de cruza simple en versión fértil y androestéril el brasinoesteroide adelantó la floración masculina y femenina (^{Torres et al., 2007}).

En otra investigación se estudió el efecto del regulador de crecimiento brasinoesteroide en la acumulación de materia seca y en el rendimiento de grano de acoyote (Phaseolus coccineus L.) variedad Blanco Tlaxcala (^{Vargas e Irizar, 2005}). El brasinoesteroide incrementó la biomasa total y por órganos en la mayoría de las densidades en estudio, en comparación con los tratamientos sin regulador, en densidades de 105 y 120 mil plantas por hectárea, este incremento fue mayor en raíz, tallo y hojas. Bajo las condiciones del experimento se obtuvo un mayor rendimiento con la densidad de población de 90 mil plantas por hectárea aplicando brasinoesteroide en una dosis de 40 mg ha^-1, habiéndose incrementado hasta un 68% con respecto la producción en la misma densidad sin brasinoesteroide.

En cuanto a la maduración de los frutos, los brasinoesteroides estimulan la maduración del fruto. En cultivo de uva (Vitis vinifera), el período de maduración se asoció con un aumento en los niveles de catasterone. Además, la aplicación exógena de brasinoesteroides, mejorado la tasa de maduración de la baya; los brasinoesteroides también están implicados en la maduración de frutos de tomate. La aplicación en discos pericarpio de tomate, incremento los contenidos de licopeno y de carbohidratos y disminuyendo los niveles de clorofila y ácido ascórbico (^{Vriet et al., 2012}).

Análogos de brasinoesteroides empleados en la agricultura

Después del descubrimiento de los brasinoesteroides naturales han sido sintetizados análogos de brasinoesteroides a partir de distintos sustratos, compuestos que poseen un efecto biológico similar al de los brasinoesteroides naturales, pero con ventajas en la aplicación, tal como un efecto más prolongado en campo (^{Kowalski et al., 2003}; ^{Salgado et al., 2008}).

Debido a la baja concentración de brasinoesteroides en plantas se han realizado estudios encaminados a la síntesis de análogos de brasinoesteroides no presentes en la naturaleza, que han producido efectos cualitativamente similares al de los compuestos naturales. Estos análogos en general se caracterizan por reproducir sólo determinadas agrupaciones estructurales presentes en los brasinoesteroides naturales, ya que se conoce que tienen una marcada incidencia en la actividad biológica (^{Yokota, 1997}; ^{Núñez et al., 2014}).

La brasinólida, debido a su actividad biológica extremadamente alta, es el integrante más importante entre los brasinoesteroides. Su síntesis se ha logrado iniciando la secuencia de reacción con pregnenolona, ácido hiodeoxicólico y de una mezcla de esteroles que contienen crinoesterol y especialmente de estigmasterol.

La homobrasinólida, otro brasinoesteroide que se ha sintetizado a partir del estigmasterol, es obtenido de aceite de soya, el cual es un producto comercial relativamente barato y disponible en cantidades suficientes (^{Khripach et al., 1999}). La epibrasinólida, que es sintetizada a partir de ergosterol, es considerada el brasinosteroide con mayor potencial en las aplicaciones prácticas debido a que presenta una combinación de características importantes, tales como una actividad biológicamente potente, ya que su actividad es comparable con la brasinólida (^{Salgado et al., 2008}). El Biobras-16 (BB-16) y el Biobras 6 (BB-6) han mostrado efectos muy positivos en el rendimiento y la calidad de muchos cultivos tropicales de gran importancia económica. Por otra parte, el MH5 es un producto novedoso que se utiliza en los procesos de cultivo in vitro (^{Kowalski et al., 2003}; ^{Salgado et al., 2008}; ^{Núñez et al., 2014}).

Todos estos efectos son de gran interés para la agricultura; por tal motivo, hace más de una década se han venido desarrollando diversos análogos, incluyendo los análogos espirostánicos de brasinoesteroides, con el propósito de reducir los costos de producción y lograr productos con una actividad biológica más estable a nivel de campo. Uno de estos análogos espirostánicos es el denominado MH5, el cual tiene la característica de poseer tres grupos OH en los anillos A y B del núcleo esteroidal y se ha demostrado que su adición a los medios de cultivo es efectiva en diferentes procesos biotecnológicos, así como en el incremento de las actividades de algunas enzimas antioxidantes en plántulas de tomate ante condiciones de estrés térmico. Por otra parte, el tratamiento de plántulas de arroz a concentraciones bajas de BB-16, otro análogo espirostánico de brasinoesteroide, es capaz de incrementar la actividad de algunas enzimas antioxidantes cuando crecieron en medio suplementado con NaCl 75 mM (^{Nuñez et al., 2006}).

Varios de estos compuestos se han aplicado en plantas cultivadas en suelos contaminados con metales, en suelos salinos y en condiciones de altas temperaturas, encontrando que éstos dan resistencia, disminuyendo los efectos del estrés (^{Salgado et al., 2008}). En algunas leguminosas como la soya, la aplicación de los análogos por aspersión foliar, sobre los tallos o por riego, ha resultado en incrementos en la biomasa de las hojas, vainas y el total de peso seco en 18, 40 y 10% respectivamente.

Con estos antecedentes se establece que la característica más importante de los brasinoesteroides es su capacidad para incrementar no solo la producción, sino también la calidad de las cosechas (^{Salgado et al., 2008}). Dada la importancia que actualmente tiene el contar con productos ecológicamente inocuos, capaces de proteger a las plantas ante determinados tipos de estrés, se hace necesario continuar profundizando en las potencialidades de los brasinoesteroides y sus análogos (^{Nuñez et al., 2014}).