Biochemical characterization of domesticated varieties of chayote Sechium edule (Jacq.) Sw. fruits compared to wild relatives

Jorge Cadena Iñiguez¹; Marco Soto Hernández¹; Ma. de Lourdes Arévalo Galarza¹; Carlos Hugo Avendaño Arrazate^2¶; Juan Francisco Aguirre Medina²; Lucero del Mar Ruiz Posadas¹

¹ Colegio de Postgraduados, km 36.5 carretera México-Texcoco, Montecillo Estado de México. C. P. 56230. MÉXICO.

² Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias. Campo Experimental Rosario Izapa, km 18 carretera Tapachula a Cacaohatan, Tuxtla Chico, Chiapas. C.P. 30870, MÉXICO. Correo-e: fltogeneticarlos@hotmail.com (^¶Autor para correspondencia).

Resumen

Dada la amplia variación biológica del complejo infraespecífico de Sechium edule, se realizó una caracterización bioquímica de frutos de siete variedades domesticadas y un pariente silvestre; la muestra fue tomada del Banco Nacional de Germoplasma en Huatusco, Veracruz, México, por un periodo de tres años. Las variables evaluadas fueron: contenido de pigmentos (clorofila y carotenoides), compuestos terpénicos, ácido ascórbico, sólidos solubles totales y acidez titulable, así como color de la epidermis; se realizó un análisis por componentes principales y jerárquicos. Dentro de las variedades domesticadas, existen cuatro niveles de variación que permitieron agruparlas por su similitud bioquímica.

Palabras clave: Pigmentos, clorofila, sólidos solubles totales.

Abstract

Given the great biological variation in the infraspecific complex of Sechium edule, biochemical characterization of the fruit is needed; therefore, the objective of this study was characterizing one wild and seven domesticated varieties of S. edule fruits. The samples were taken from the Banco Nacional de Germoplasma in Huatusco, Veracruz, Mexico, during a period of three years. The assessed variables were: pigment content (chlorophyll and carotenoids), terpenic compounds, ascorbic acid, total soluble solids, titratable acidity, and epidermis color; principal components and hieralchical analysis was conducted for their evaluation. The results showed that there is biochemical variation among varieties having a common ancestor in wild relative chayote. Among the cultivated varieties there are four levels of variation that allow for grouping by higher biochemical similarity.

Key words: Pigments, chlorophyll, total soluble solids.

INTRODUCCIÓN

Sechium edule(Jacq.) Sw. (chayote) es una especie domesticada por las culturas precolombinas de América central, e introducida a diferentes países por los Españoles debido a su adaptatividad (Reinecke, 1898). Cook (1901) reconoció dos variedades de chayote de acuerdo al color del epicarpio: verde y blanco; creciendo en áreas frías y heladas de las islas del Caribe; se ha encontrado que nombró cinco "variedades", que fueron descritas por sus variaciones morfológicas como Redondo Blanco, Largo Blanco, Puntiagudo Verde, Ancho Verde y Verde Ovalado, en México la gente clasifica al chayote por color (negro: verde obscuro, verde: verde brillante, y blanco: amarillo crema), apariencia (liso o espinoso), y sabor (simple, dulce, y amargo) (Cadena-Iñiguez et al., 2007). Es ampliamente utilizado debido a su valor nutrimental, los frutos inmaduros pueden ser consumidos en ensaladas y son una buena fuente de vitamina C. Pueden ser también hervidos, fritos, cocinados al vapor, o rellenos y horneados. Las hojas jóvenes y zarcillos son también consumidos, y las semillas pueden ser salteadas en mantequilla y servidas como aperitivos (Lira-Saade, 1996; Aung and USDA-ARS, 1998). Sin embargo, la caracterización bioquímica del chayote ha sido hecha a partir de un solo tipo, por tanto es importante definir la composición química de variedades menos conocidas y promover su uso alimenticio. Dentro de la variación de S. edule están: color, apariencia y sabor del fruto, que han sido atribuidas al proceso de domesticación (Cadena-Iñiguez et al., 2008). En el presente estudio se evaluó una muestra etnográfica de siete variedades domesticadas y una silvestre de S. edule, con el objetivo de caracterizarlas con base en siete parámetros bioquímicos en sus frutos.

MATERIALES y MÉTODOS

Material vegetal

Frutos de siete variedades domesticadas y una silvestre de S. edule, fueron utilizadas y nombradas de acuerdo con la clasificación aplicadas por el Banco Nacional de Germoplasma de Sechium edule (BANGESE-México). El BANGESe se localiza en el Centro Regional Universitario Oriente (CRUO) de la Universidad Autónoma Champingo (UACh) en Huatusco, Veracruz, México (19°08'48' N y 97°57'00" E). La vegetación de bosque Mesófilo de Montaña (bosque nubloso) (a 1,340 m de altitud) y temperatura media anual de 19 °C y 85 % de humedad relativa, con 2,250 mm de precipitación anual. Los suelos son luvisoles vítricos, ricos en nutrientes, de fertilidad moderada, textura gruesa y fragmentos de vidrio volcánico, y pH de ligeramente ácidos a ácidos (4.3-6.5), ricos en materia orgánica, bajos en calcio y altos en hierro, manganeso y zinc (Cadena-Iñiguez et al., 2006). Las principales características de los frutos de chayote fueron sabor, color, espinas y tamaño. Cuatro variedades tuvieron sabor simple, tres de las cuales fueron verde obscuro (Nigrum spinosum, Nigrum xalapensis, Nigrum levis), y uno fue verde claro (Virens levis); tres fueron amarillos, considerados ligeramente dulces (Albus minor, Albus dulcis, Albus levis), y un verde obscuro que fue amargo (tipo silvestre) (Cuadro 1). Únicamente N. spinosum y su pariente silvestre tuvieron espinas (Figura 1). Frutos de todas la variedades fueron cosechados hasta su madurez fisiologica (18 ± 2 d posterior a la Antesis) (Cadena-Iñiguez et al., 2007), pero el silvestre llegó a al madurez fisiológica, cuando los frutos (aún en a la planta) dejaron de crecer, lo que ocurrió 28 ± 4 d después de la antesis. Las características evaluadas fueron: contenido relativo de pigmentos, cucurbitacinas totales, ácido ascórbico, sólidos solubles totales, acidez titulable y color de la epidermis.

Cuantificación de pigmentos

Extracción de terpenos

Se recolectaron frutos in situ durante el ciclo primavera-verano de 2002 a 2005. La extracción fue realizada adaptando el método propuesto por Afifi et al. (1999). El tamaño de muestra fue: 992 g del pariente silvestre, 1,077 g de V. levis, 1,512 g de N. xalapensis,1,913 g de N. spinosum, 1,878 g de N. levis, 1956 g de A. dulcis, 1,804 g de A. minor y 1,984 g de A. levis. Las muestras procesadas siempre incluyeron epidermis, espinas y semillas. El tejido segmentado fue homogeneizado con etanol al 96 % y mantenido a temperatura ambiente (22 °C ± 1) durante 72 h; los residuos del tejido fueron decantados y el disolvente eliminado con vacío. El residuo líquido fue particionado con 4 x 250 mL de éther etílico y el extracto analizado mediante cromatografia en capa fina con tolueno-acetato de etilo 3:1 como fase móvil. La placa fue visualizada con una lámpara UV/ VIS y ácido vainillin-fosfórico para desarrollar el color, sugerido por Wagner y Bladt (1996), los colores detectados fueron: rojo, rosa, violeta, café y verde obscuro. Las manchas fueron detectadas por comparación de los valores de retención (rf) en la placa de acuerdo con Dinan et al. (1997) y Afifi et al. (1999). Los compuestos terpénicos fueron cuantificados con base en la diferencia del peso final del extracto etéreo y el de la muestra original, se obtuvieron dos repeticiones por variedad. Se utilizaron cucurbitacinas B y P (terpenos) como un extracto de referencia previamente obtenido de los frutos de chayote silvestre (Sechium compositum).

Color

El color fue determinado con un colorímetro Hunter-Lab/D25-PC2, calibrado con un plato blanco. Las mediciones fueron reportadas en el sistema CIE *L*a*b. Para estos valores se calculó el matiz y ángulo cromático (McGuire, 1992). cada fruto fue medido en ambos lados de su región ecuatorial, en 475, 505, 232, 232, 688, 976, 548, y 78 frutos de A. minor, A. levis, A. dulcis, N. spinosum, N. xalapensis, V. levis, N. levis, y el pariente silvestre, respectivamente.

Ácido Ascórbico

Se utilizó el método de determinación mediante 2,6 indofenol diclorofenol. (AOAC, 1980). Se examinaron cinco gramos de pulpa (Epicarpo y Mesocarpo) de 50 frutos de A. minor, A. levis, A. dulcis, V. spinosum, N. xalapensis, V. levis, N. levis y 30 de su pariente silvestre. Cada fruto fue homogeneizado con 50 mL de ácido oxálico (5 g·L^-1). Cinco mililitros del homogeneizado filtrado fueron removidos y titulados con una solución de 2, 6 diclorofenol indofenol (20 mg·L^-1), hasta que el color rosa se mantuvo estable durante 1 min. La cantidad de ácido ascórbico mediante la curva de referencia de ácido ascórbico.

Contenido de sólidos solubles

El contenido de sólidos solubles (CSS) fue determinado con un refractómerto digital (Atago-100, Japón) en 25 frutos por variedad. Se hicieron cortes en dos áreas de la región ecuatorial de cada fruto a una profundidad de ± 2.5 cm (epicarpo y mesocarpo), y subsecuentemente exprimidos con una tela.

Acidez titulable

Análisis estadístico y tamaño de muestra

El muestreo se realizó por 3 años (2002 - 2005), empleando el método sugerido por Sukhatme (1970), con un intervalo de confianza de 95 %. Para el análisis de las características bioquímicas, se utilizó el análisis de componentes principales (ACP) junto con le procedimiento PRINCOMP del sistema SAS V8 (SAS, 1988). El análisis de conglomerado jerárquico fue generado con el método de ligamiento promedio (UPGMA por sus siglas en inglés) para obtener un dendrograma (Rohlf, 1993). El análisis de varianza se basó en los datos de cada variedad de clorofila, compuestos terpénicos, sólidos solubles y ácido ascórbico; las medias de cada variable fueron comparadas mediante el análisis de Tukey (P<0.05) con el sistema SAS V8 (SAS, 1988).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La composición de la epidermis de los frutos amarillos contiene pigmentos como clorofila a (Chl_a), b (Chl_b), y carotenoides totales (Ct), mientas que en variedades con frutos verdes únicamente se detectaron Chl_a y Chl_b (Cuadro 2). La concentración de Chl_a y Chl_b en el pariente silvestre fue mayor comparado con las variedades domesticadas. El fruto de las variedades amarillas A. minor, A. levis y A. dulcis tuvieron hasta 100 veces menos contenido respecto al pariente silvestre, y diez veces menos, comparados con las variedades domesticadas de fruto verde; excepto por N. levis, todas la variedades mostraron menores concentraciones de Chl_a que de Chl_b (Cuadro 2). Sin embargo, en el presente estudio los diferentes Ct están involucrados en la fotoprotección, dado que la capacidad de disipar el exceso de energía luminosa esta correlacionada con la concentración de carotenos y xantofilas en tejidos fotosintéticos (Murchie et al., 1999). Lo anterior puede estar relacionado con el hecho de que la epidermis de frutos de S. edule tienen estomas además de pigmentos (Cadena-Iñiguez et al., 2006), que podrían contribuir a la obtención de CO₂ necesario para su crecimiento mediante el intercambio gaseoso, y fotosíntesis; por tanto, similar a cualquier otro presente en tejido fotosintético, mecanismos de fotoprotección presentes en la epidermis de los frutos (Blanke y Lovat, 1993).

La concentración de clorofila registrada en las variedades domesticadas de frutos verdes mostró que existe variación de acuerdo con la epidermis del fruto. Por ejemplo, A. levis, N. xalapensis, N. spinosum y V. levis presentaron 0.2826, 0.2421, 0.1762, y 0.1312 mg·g^-1, respectivamente.

La variación de color empezando por el pariente silvestre al fruto verde obscuro, a los frutos verde claro como V. .levis, posiblemente con transición al color amarillo. El color expresado como °Hue fue 222.9 para N. xalapensis, 201.1 para N. spinosum, 198.4 para el pariente silvestre, 167.2 para N. levis, y 126.5 para V. levis. El fruto amarillo fue de 68.3 ° de matiz para A. minor, 67.3 para A. dulcis, y 60.8 para A. levis. Los valores >160 fueron equivalentes a verde obscuro y verde muy obscuro, el intervalo entre 120 y 130 corresponden a verde claro, donde los valores < 90 corresponden a amarillo y crema.

El sabor del fruto es uno de los valores etnobotánicos distintivos de las variedades de chayote. Las cucurbitacinas son los metabolitos responsables por el característico sabor amargo de sus frutos. Estos metabolitos son terpenoides tetraciclicos, presentes en plantas en forma de glucósidos, en el chayote, de acuerdo con los valores rf (0.1-041) se encontró que el 59 % fue de este tipo (Dinan et al., 1997). Las variedades con la mayor cantidad de compuestos terpénicos fue la del pariente silvestre (1.456 mg g^-1), seguido por N. levis (0.660 mg·g^-1), N. xalapensis (0.195 mg·g^-1), N. spinosum (0.190 mg·g^-1), y V. levis (0.116 mg·g^-1). Las variedades amarillas tuvieron la menor concentración; siendo sus valores menores que los de los domesticados verdes, y mucho menores respecto al de los frutos silvestres, con valores de 0.027 a 0.088 mg·g^-1. Respecto de los compuestos terpénicos, clorofila y carotenoides, se considera que las variedades durante su proceso de coevolución con los humanos podrían haber incorporado ciertas modificaciones el la ruta biosintética de estos metabolítos; por ejemplo, los frutos amarillos tuvieron menor contenido de Chl_a y Chl_b comparados con los frutos verdes; sin embargo, fueron los únicos que contuvieron Ct y una menor concentración de terpenos (Balliano et al., 1982). Esto podría ser atribuido a un posible ajuste en la la ruta de el ácido mevalonico (AMV), ya que generalmente todos los compuestos terpenoides naturales, como las cucurbitacinas y carotenoides, biosintetisan el AMV (Bramley, 1997). A través de la ruta de la acetil CoA mediante un intermediario común. Estudios realizados en Cucumis sativum demostraron que en la ruta metabólica de las cucucrbitacinas, unidades de isoprenos son compartidas como precursores de diferentes metabolitos, así que si la planta requiriere elaborar un metabolito en mayor cantidad, esta utilizará las unidades de isoprenoides existentes, reduciendo la síntesis de otros compuestos . En este contexto, la plasticidad química habría permitido a las variedades de S. edule ajustar su contenido de cucurbitasnas para así poder sintetizar una mayor cantidad de caroteniodes en frutos amarillos.

Más del 90% del CSS en frutos de S. edule está constituido por fructosa y glucosa en el mesocarpo, además de raffinosa y sacarosa en los cotiledones, que pueden dar al fruto un ligero sabor dulce (Aung et al., 1992). El contenido de solidos solubles (10.9 °Brix) y compuestos terpénicos (1.456 mg·g^-1) en el Chayote silvestre fue la más alta dentro de todo el grupo. En otras variedades silvestres del género Sechium, tal como Sechium compositum y S. chinantlense, valores de 10.6 y 10.3 °Brix han sido reportados en frutos frescos (datos no mostrados). Sin embargo, tienen un fuerte sabor amargo, que podría ser un rasgo distintivo de las variedades silvestres de Sechium, una clasificación informal describe a A. minor, A. dulcis, y A. levis, como ligeramente dulces, con valores de 7.66, 7. 21 y 8.08 °Brix, pero al mismo tiempo tuvieron el menor rendimiento en compuestos terpénicos (0.027, 0.039 and 0.088 mgg^-1). El contenido de CSS en las variedades verdes de fruto verde, V. levis, N. xalapensis, y N. spinosum fue de 5.14, 9.93 y 6.93 %, localizado como un grupo intermedio entre el silvestre y la amarilla. La acidez titulable fue baja, fluctuó entre 0.028 y 0.059, y las variedades verdes mostraron hasta el doble del porcentaje de acidez de las variedades amarillas. Respecto del ácido ascórbico (Asc) en frutos, el grupo de chayote amarillo tuvo las mayores concentraciones (0.0742 - 0.0782 mg·g^-1), mientras que los verdes domesticados mostraron valores desde 0.0495 hasta 0.0676 mg·g^-1, y los frutos silvestres 0.0399 mg·g^-1.

El sabor del chayote es una característica de la clasificaron etnobotánica con una gran variabilidad entre variedades. El sabor amargo del pariente silvestre podría estar basado en un mayor contenido de compuestos triterpénicos (como cucurbitasinas), mientras que el ligero sabor dulce de los frutos amarillos podría estar relacionado a una mayor cantidad de CSS, menor contenido triterpénico, y menor acidez. La variación de color y sabor evaluadas en los frutos de variedades de S. edule podrían ser también producto de ajustes en el MVA, dado el hecho de que las semillas del silvestre no son vivíparas, no así las de variedade verde y amarilla domesticada (Cadena-Iñiguez et al., 2008). Esto podría ser atribuible de nuevo, al ajuste en el contenido de cucurbitacina y AG, dado que las cucurbitacinas has sido identificadas como antagonistas de la acción de la AG, hormona relacionada al proceso de germinación (Zehhar et al., 2002), y particularmente en S. edule. Aung y USDA-ARS (1998) determinaron que la germinación se estimula con la aplicación de giberilinas, y podría sugerir que, a mayor concentración de cucurvitacinas en los frutos, menor el contenido de AG, y en consecuencia menor precocidad en la germinación. A este respecto, es relevante que el pariente silvestre, la única variedad silvestre, registró la mayor concentración de cucurbitacinas y no presenta viviparidad.

El análisis previo sugiere una relación entre las variedades, asumiendo que el silvestre es el punto de referencia del ajuste bioquímico de las variedades domesticadas. Los resultados el ACP mostraron que 92.5 % de la variación es explicada por los tres primero componentes principales (CP). Las características que contribuyeron a la variación de el PC1 fueron relacionadas con el contenido de ácido ascórbico, Chla y Chlb; en el CP2, hubo solidos solubles y Chla, Analmente en el CP3, Ct y acidez titulable (Tabla 3). La dispersión de variedades PC1 vs PC2, y PC1 vs PC3 muestra la variación de el pariente silvestre y el agrupamiento de frutos amarillos junto con los verdes claro (Figura 2). El dendrograma de agrupamiento demuestra que las variedades de S. edule se encuentran bioquímicamente relacionadas, siendo el silvestre el ancestro de las domesticadas (Figura 3). Se podría considerar que las variedades de fruto amarillo, basados en la posición en la que cada variedad mantiene en la relación, muestra un mayor grado de cambio bioquímico; ellos son, sin embargo, los que han sido sujetos a menor presión de selección por cultivo extensivo. Por ello, los cambios junto con la domesticación podrían ser el resultado de un proceso de especiación adaptativa en vista de cambios ambientales, cuyos efectos secundarios podrían verse reflejados en modificaciones de color, sabor, apariencia (espinas), y compuestos secundarios (cucucrbitacinas, clorofila, carotenoides y ácido ascórbico) (Cadena-Iñiguez et al., 2008).

CONCLUSIONES

Existe evidencia bioquímica para explicar parcialmente la variación de color, sabor, y apariencia en los frutos del chayote. Las variedades cultivadas mantienen una estrecha relación bioquímica con su pariente silvestre, y registran diferencias en metabolitos secundarios, esto reafirma las características usadas para distinguir los diferentes tipos de chayote por el consumidor.

AGRADECIMIENTOS

LITERATURA CITADA

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