DESTRUCCIÓN DE HUEVOS DE NEMATODOS FITOPARÁSITOS DEL SISTEMA RADICAL DE LAS PLANTAS, CON NANOPARTÍCULAS

DESTRUCCIÓN DE HUEVOS DE NEMATODOS FITOPARÁSITOS DEL SISTEMA RADICAL DE LAS PLANTAS, CON NANOPARTÍCULAS.
Baquero José Johanny*, Sánchez Benítez Juliana**.
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*Estudiante Fundación Universitaria Agraria de Colombia, Ingeniería Mecatrónica
** Estudiante en Movilidad Académica Universidad de Caldas, Ingeniería Mecatrónica.

Introducción:

La palabra nematodo, proviene de los vocablos griegos nema que significa "hilo" y eidés u oidos, que significan "con aspecto de", siendo definidos como animales filiformes1 con cuerpo sin segmentos y más o menos transparentes, cubiertos de una cutícula2 hialina3, la cual está marcada por estrías u otras marcas; son redondeados en sección transversal, con boca, sin extremidades u otros apéndices, muchos son parecidos a lombrices o con forma de anguila. (Guzmán, 2012). Entre las principales familias de nematos fitoparasitos4 del suelo sobresalen Pratylenchus, Paratylenchus, Tylenchulus, Criconemella, Xiphinema, Meloidogyne, Globodera, Radopholus y Helicotylenchus.

El ciclo de vida de los nematodos en general consta de seis estados, huevo, juvenil 1, juvenil 2, juvenil3, juvenil 4, y adulto. De estos el estado que más nos interesa caracterizar es el huevo, ya que es el factor de proliferación de estos individuos infecciosos. Este la postura del huevo depende del tipo de vida del animal, este puede ser colocado individualmente en el suelo, o sobre tejidos vegetales; unas especies ponen sus huevos dentro de tejidos gelatinosos llamados matriz gelatinosa, la cual contiene proteínas glicosiliadas, corbohidratos, celulasa, polifenol oxidasa y fosfatasa; otras hembras prefieren enquistarse con sus huevos y así proteger entre 500 y 600 huevecillos.
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Su apariencia es de hilio muy fino.
Tejido delgado y elástico que impide el paso del agua.
Sustancia translucida o transparente, rica en polisacáridos
Parasito vegetal.
Los huevos tiene tamaño que oscilan entre 10 μm y 100 μm, pero pueden soportar condiciones ambientales desfavorables y pueden sobrevivir a los tratamientos convencionales, lo cual los hace muy difícil de controlar y fácil de diseminar, además su alta capacidad de infestación5 los hace ser organismos altamente proliferos, que pueden poner en riesgo cualquier tipo de cultivo en poco tiempo.

En relación a la nanotecnología aplicada a la agricultura, tenemos que esta puede aplicarse (y ya se está haciendo) para el tratamiento de algunas enfermedades de las plantas, para la detección precoz de los patógenos que las producen, para la mejora de la asimilación de nutrientes esenciales por las plantas e incluso la construcción de nano-bio-sensores importantes en determinados procesos biológicos. Su uso puede incrementar la eficacia de los pesticidas e insecticidas comerciales reduciendo su cantidad de aplicación al suelo a unas dosis significativamente menores requeridas para los cultivos con la mejora medioambiental que eso implica. (Tortosa, 2012).
Esto nos conduce a pensar en la nanotecnología como una opción para el problema de los nematodos en la agricultura extensiva de hoy.


Planteamiento del problema

Los nematodos Fitoparásitos son organismos pequeños que viven en las aguas, o en el suelo, o sobre sus hospederos parasitando animales, personas o plantas. Un fitoparásito es un organismo que se asocia de manera estrecha con una planta y que se reproduce o desarrolla a expensas de ella. La limitación de la obtención de los nutrientes y agua de la planta hospedante por causa del parásito da origen a una menor eficiencia en el desarrollo normal de la misma y provoca un detrimento en su posterior desarrollo y reproducción. Así, en la mayoría de los casos el parasitismo se encuentra estrechamente relacionado con la patogenicidad, debido a la capacidad que tiene el parásito de invadir y establecerse en su hospedante, por lo general provoca el desarrollo de una enfermedad en este último. (Agrios, 2005).

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Estado o condición de que un ser vivo tenga parásitos en su cuerpo
Los fitonemátodos poseen un estilete6, con el cual penetran las células de las plantas y a través de él extraen el contenido celular de una a una de las células de la raíz de las plantas, causando enfermedades en los cultivos en general. La mayoría de daños parece ser causados por la secreción de saliva introducida en los tejidos de las plantas durante el proceso de alimentación. Ellos perforan la pared celular, introducen saliva dentro del citoplasma, extraen parte del contenido celular, y se movilizan en unos pocos segundos.

Algunos viven fuera de la raíz (exoparasitos), otros dentro (endoparásitos), y otros tanto dentro como fuera (semiendoparasitos) de la raíz. Sus Hembras pueden poner desde unos pocos a millones de huevos durante su vida esto dependiendo de la especie, lo cual les da una rápida proliferación. Se conocen 4.105 especies de nematodos fitoparásitos, las cuales causan pérdidas anuales entre 11 y 14%, equivalentes a US $80 billones año. (Guzmán, et al., 2012).

Los nematodos causan actualmente grandes problemas como, deformación de raíces en forma de nódulos, quistes, pudrición, hipertrofia e hiperplasia, limitando la capacidad de una planta para adquirir los nutrientes que necesita para su desarrollo óptimo. Dando como resultado un retraso en la cosecha, se reduce la longevidad de las plantas, su tamaño, rendimiento y vida productiva. Además aunque se elimine el cultivo afectado, los parásitos seguirán en el suelo como una amenaza oculta para los cultivos subsiguientes. En la actualidad existen pocos tratamientos, los cuales tienen limitada efectividad.

Entonces, ¿Será posible limitar la población de nematodos fitoparásitos, destruyendo sus huevos con el uso de nanopartículas?

Justificación
Hace parte vital del suelo la fauna que vive en él, lo soporta lo regenera, le da la capacidad de dar vida y sustento a las plantas, pero a causa del uso indiscriminado de este recurso a lo largo de la historia con los monocultivos, algunos de estos pequeños animales como los nematodos, que se alimentan de rizosfera, se han disparado sin control, causando grandes pérdidas económicas.

Punzón o puñal de hoja muy estrecha y aguda.

El ataque químico como control de este problema, la mayoría de las veces es ineficiente ya que se lavan los productos o no llegan a los lugares donde se necesitan, por ello se puede considerar como una alternativa el uso nanotecnología como mitigación a esas poblaciones de crecimiento rápido.

Objetivo general

Diseñar una partícula nanotecnológica que tenga la capacidad de introducirse dentro de la membrana lipídica de los huevos de nematodos para destruir los huevos que se encuentren presentes en el suelo dentro y fuera de la raíz, con el fin de limitar el desarrollo de estos patógenos en la rizosfera de las plantas.

Objetivos específicos

Buscar información y clasificarla para construir el marco teórico del proyecto.
Realizar la propuesta nanotecnológica, que mejor se comporte para la finalidad de la partícula.

Estado del arte:
La nanotecnología aplicada a la agricultura.
Hasta el día de hoy, se han realizado múltiples investigaciones sobre las diferentes formas en que se puede aplicar la nanotecnología para mejorar la agricultura y esta empieza a ser un campo muy prometedor en la agricultura que ya que está generando muy buenos resultados. Ya existen estudios que confirman que las nanopartículas metálicas son efectivas contra los patógenos de plantas, insectos y plagas. De hecho, las nanopartículas se pueden usar como nuevas formulaciones de pesticidas, insecticidas y de repelentes de insectos mediante técnicas de nanoemulsión7 o nano encapsulación. (Tortosa, 2012).

Cuando una solución micelar de micelas normales solubiliza aceite, las micelas se hinchan y pueden llegar a diámetros de varios centenares de Angstroms. Se obtienen entonces nanogotas de aceite recubiertas por una monocapa de surfactante.
Entre las aplicaciones que se pueden resaltar está la contribución del Dr. German Moreno Moya, químico graduado en la Universidad Nacional de Colombia, y miembro de la empresa Agrosolar, quien ha desarrollado y patentado el Sistema de Transporte Coloidal (STC), que mediante la globulización8 del producto logra aumentar la eficiencia a la penetración de este en las plantas, además de un mayor recubrimiento del área donde se deben aplicar los diferentes tratamientos. De modo que se reducen las cantidades de residuos químicos en las cosechas, tales como fertilizantes, herbicidas, insecticidas, fungicidas hasta en un 40%, y por tanto también se disminuyen los gastos en la producción. (Calzada, 2010).
Es así también en México la empresa nano-tecnológica Flamel, está desarrollando su herbicida Roundup con una nueva formulación en nano-cápsulas. Pharmacia, está fabricando nano-cápsulas de liberación lenta usada en agentes biológicos como fármacos, insecticidas, fungicidas, plaguicidas, herbicidas y fertilizantes. Syngentautiliza, utiliza la tecnología Zeon, que son micro-cápsulas de 250 nm, que son liberadas al contacto con las hojas, también tiene una nano-cápsula que libera su contenido al contacto con el estómago de ciertos insectos.
Según estas empresas estas nano-cápsulas hacen más seguro el manejo de plaguicidas peligrosos. Empresas como estas se pueden encontrar en muchos lugares, es así que podemos afirmar que la nanotecnología en la agricultura está creciendo. (Challco, 2010). Además, el futuro de la industria agrícola puede pasar a usar estos materiales como nanopesticidas, nanofungicidas y nanoherbicidas. (Tortosa, 2012).
Aunque, existen productos nanotecnológicos que ayudan al proceso de la fotosíntesis, para cualquier persona esto puede ser algo benéfico y en muchos casos ayuda de gran manera a la agricultura pero los ecosistemas aún son sistemas complejos al entendimiento humano y no sabemos las consecuencias que puedan tener al ser asimilados por otros organismos vivientes. Así que hay que aplicar las nuevas tecnologías adecuadamente y con precaución. (Challco, 2010). En definitiva, la aplicación de la nanotecnología a la agricultura es una alternativa más respetuosa con el medio ambiente para el caso concreto del control de insectos y plagas que los métodos químicos que tantos problemas medioambientales han generado. (Tortosa, 2012).

Consiste en la transición de cristales de exceso de fase en una forma globular (esferoidal). La transición se produce a temperaturas relativamente altas y se asocia con una disminución en la energía interfacial. http://encyclopedia2.thefreedictionary.com/Spheroidization.


Marco teórico:

Caracterización del parásito:
Los nematodos fitoparasitos son pequeños animales, la mayoría de ellos son microscópicos y miden entre 300 y 1.000 μm de largo y 15 a 35 μm de ancho; su tamaño los hace invisibles a simple vista, pero pueden ser fácilmente observados con la ayuda de un microscopio o estereoscopio. Los nematodos fitoparásitos, según el género, tienen en la región anterior (cabeza) un estilete hueco (estomatoestilete u odontoestilete) también llamado "lanza", pero hay algunos con estilete sólido modificado (onquioestilete). El estilete es usado para penetrar las células de las plantas y a través de él extraer los nutrientes, causando enfermedades en diferentes cultivos, las cuales se categorizan principalmente de acuerdo al hábitat parasítico y a la sintomatología en el sistema radical y tejidos aéreos. (Guzmán, 2012).
El modo en el que se ven atraídos los patógenos hacia el cultivo es gracias a que al comenzar el cultivo, las raíces de las plantitas exudan sustancias que atraen a los nematodos y ese acercamiento se produce en pocos días por que el movimiento que poseen en el agua les permite desplazarse. (Gauna, 2013)

Manejo agronómico de los nematodos:
Para los nematodos el más efectivo es el manejo biológico; sin embargo, productos químicos efectivos como Aldicarb, han sido eliminados del mercado por su alta toxicidad y otros como Carbofuran, también altamente tóxico para los humanos y el medio ambiente, no son específicos contra dichos patógenos (O., H., & L., 2012).
Según los resultados obtenidos por la Ingeniera Agronóma Johana Salazar y su equipo de trabajo en el año 2012 en la Universidad de Caldas concluyeron que, el tratamiento químico a base de Carbofed ® 330 SC, en comparación con métodos alternativos comparados, fue el que mejor acción nematicida tuvo sobre las poblaciones de nematodos a través del tiempo y los tratamientos con Trichoplant® mostraron que este producto, después de los 6 meses, ejerce un buen control sobre las poblaciones del género Radopholus.

Como tratamientos alternativos comprobaron que al aplicar Lixiviado del raquis de plátano puede reducir las poblaciones de los nematodos fitoparásitos. Mientras que la aplicación de lombricompuesto parece generar un efecto contrario como tratamiento alterno, este genera un ambiente favorable para el crecimiento de las poblaciones de nematodos. (O., H., & L., 2012)


Posible solución:Hongos que parasitan huevos y hembras de nematodos:
Los nematodos sedentarios endoparásitos son infectados por multitud de patógenos fúngicos. Sus estadios móviles (fundamentalmente juveniles de 2° estadio) son parasitados, como los nematos vermiformes, tanto por hongos atrapadores de nematodos como endoparásitos. Las hembras de nematodos sedentarios (fundamentalmente nematos de quistes) son infectadas, incluso cuando son inmaduras y no poseen huevos, por hongos zoospóricos como Catenaria auxiliarisy Lagenidium spp. Muchos son parásitos obligados como Nematophthora gynophila, y son responsables (junto con parásitos facultativos9 de huevos como Verticillium chlamydosporium) de la supresividad de suelos a nematodos fitopatógenos como Heterodera avenae.(Luis V. López-Llorca)

Nanoparticulas que transportan fármacos:

El tamaño de las partículas y la distribución de tamaño son las características más importantes de las nanopartículas y pueden determinar el destino biológico, la toxicidad, la distribución in vivo y la capacidad de orientación de estos sistemas de suministro. Además, pueden influenciar en la carga y liberación de fármacos y en la estabilidad de las nanopartículas.
Las nanopartículas tienen un gran número de ventajas sobre las micropartículas. Como un ejemplo de aplicació se tiene que, algunas nanopartículas pueden atravesar la barrera hematoencefálica; esto proporciona la entrega sostenida de los agentes terapéuticos para enfermedades difíciles de tratar, como por ejemplo, los tumores cerebrales.

La ciencia Medica a observado que las nanopartículas cubiertas con Tween 80, pueden atravesar muy bien la barrera hematoencefálica y la liberación de fármacos puede verse afectada por el tamaño de las partículas o moléculas involucradas. Por una parte, las partículas pequeñas tienen una mayor relación área superficial-volumen, lo que favorece una mayor asociación del fármaco con las moléculas del órgano (al estar más expuesto) y por tanto se dá una liberación más rápida del fármaco. Por otra parte, las partículas de mayor tamaño tienen grandes núcleos, lo que permite una mayor cantidad de fármaco encapsulado por las partículas y hacen que la liberación sea más lenta.

Se desarrollan tanto en presencia como ausencia de oxigeno.
La nanotecnología permite que la liberación del fármaco sea mínimamente invasiva, ya que posibilita la fabricación de dispositivos a escala nanométrica, tamaño que permite a estos dispositivos atravesar poros y membranas celulares. Otra gran ventaja es que con el control de la liberación se incrementa la efectividad del fármaco, por lo que es importante la dosis requerida, el tamaño, la morfología y las propiedades superficiales del compuesto. De lograr que las nanopartículas se asocien a órganos, tejidos o células dañadas y liberen in situ al principio activo deberá disminuir la toxicidad asociada al fármaco. (Reinier Oropesa Nuñez, 2012)

Planteamiento de la posible solución:
Funcionamiento del mecanismo solución.
Ya que las nanopartículas pueden imitar o alterar procesos biológicos, por lo que su uso en la medicina podría dar solución a viejos problemas asociados con la solubilidad, biodisponibilidad, inmunocompatibilidad y citotoxicidad de muchos de los medicamentos de uso médico tradicional (Reinier Oropesa Nuñez, 2012), es posible que esta tecnología pueda ser usada para la aplicación de agro compuestos al suelo y a las plantas, con el fin de darle solución a la eficacia de estas aplicaciones y así bajar los riesgos de contaminación ambiental.
Conociendo que unos de los enemigos naturales de los nematodos del suelo son los hongos Catenaria Spp. y Nematophthora Spp. Y que su forma de resistencia e infestación es la zoospora, es posible considerar que esta se pueda recubrir con un nanomaterial para que sea más fácil su diseminación por el sistema radical de las plantas hasta localizar los huevos de nematodos.
Una zoospora tiene alrededor de 2 y 3 μm de diametro (Sánchez, Ramelli, & Reynaldi, 2009), por ello se puede pensar en usar un recubrimiento como las micelas por ejemplo; estas son partículas coloidales nanométricas, generalmente esféricas, con un interior hidrofóbico y un exterior hidrofílico. Son ampliamente utilizadas en la preparación de formulaciones farmacéuticas como agentes solubilizantes. Los fármacos pueden ser atrapados en el interior de las micelas o adherirse covalentemente a las superficies de ellas. El tamaño de estas partículas es inferior a 50 nm de diámetro (Reinier Oropesa Nuñez, 2012).

Diseño del mecanismo y su acción.
La mecánica de funcionamiento de la solución es incluir en una formulación liquida biomoleculas que contengan en su interior las zoosporas de hongos nematicidas como Catenaria spp. y Verticillium spp. Esta preparación disuelta en agua deberá ser aplicada al suelo, directamente en la raíz de la planta para que las nanoparticulas puedan llegar hasta su objetivo. Ya una vez impregnada la raíz estarán las nanoparticulas en contacto con los huevos de los nemátodos y estas liberarán la zoospora para que puedan colonizarlos.


Figura 1. Diseño del mecanismo de acción propuesto.

Características del nanomaterial.
Tomando como bases, los conocimientos adquiridos a lo largo del curso sobre nanotecnología y lo consultado, se concluye que se debe usar un nanomaterial que tenga características de bio-compatibilidad y afinidad con la membrana orgánica que recubre los huevos de los nematodos, ya que el proceso que se desea implica reacciones orgánicas y transporte de biomoleculas hasta el interior de los huevos, tal vez el uso con el uso de nanopartículas sólidas.
(Las nanopartículas sólidas son objetos esféricos fabricados con materiales biodegradables, como proteínas (por ejemplo, albúmina o colágeno), grasas, o polímeros. Inicialmente, las nanopartículas se diseñaron para la administración de drogas. Las nanopartículas sólidas actuales, que van en tamaño de 10 a 1 000 nm). (Reinier Oropesa Nuñez, 2012).
O tal vez con el uso de partículas como las Micelas, que con su característica de hidrofilia, se puedan transportar con mayor facilidad en un medio acuoso.

Conclusiones:
El control de los nematodos Fito-parásitos de la raíz vegetal, es una tarea compleja que aún no tiene una solución clara y concisa, por ello propuestas como la planteada anteriormente resultan viables, en la búsqueda de una solución.

Al realizar un ataque nanotecnológico a plagas como estas, podemos obtener cultivos rentables e incrementar el crecimiento de la agricultura nacional.


Para desarrollar una tecnología que se acerque a la finalidad de llegar a introducir un agente controlador como lo es la zoospora de Catenaria spp. y Verticillium spp; directamente en la raíz de las plantas para que ataquen los huevos de nematodos fitoparasitos presentes en el suelo, es necesario realizar primero pruebas de biocompatibilidad con su cutícula hialina y los posibles nanomateriales propuestos.












Bibliografía

Agrios, G. N. (2005). Plant Pathology. Departamento de patologia de plantas, Universidad de la florida: El Servier.
Calzada, S. L. (11 de 06 de 2010). Nanotecnología en agricultura y alimentación. Obtenido de www.blogs.creamoselfuturo.com: http://blogs.creamoselfuturo.com/nano-tecnologia/2010/06/11/nanotecnologia-en-agricultura-y-alimentacion/
Challco, C. R. (2010). NANOTECNOLOGIA EN LA AGRICULTURA. Revistas Bolivianas. Revista de Información, Tecnología y Sociedad.
Gauna, P. (2013). TÉCNICA DE MUESTREO DE SUELO PARA DETERMINAR PRESENCIA DE NEMATODOS QUE PRODUCEN AGALLAS EN LOS INVERNADEROS. INTA Bella Vista - Centro Regional Corrientes, 1-8.
Óscar Adrián Guzmán Piedrahita, J. C. (2012). PRINCIPALES NEMATODOS FITOPARÁSITOS Y SÍNTOMAS OCASIONADOS EN CULTIVOS DE IMPORTANCIA ECONÓMICA. Agronomia, 38-50.
Liliana Lara, D. G. (2010). El manejo ecológico de los suelos. La Ciencia y el hombre, revista Universidad Veracruzana.
Luis V. López-Llorca, H.-B. J. (s.f.). Biodiversidad del suelo: Control biologico de nematodos fitopatógenos por hongos nematófagos. Cuadernos de Biodiversidad, http://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/1152/1/cuadbiod06_3.pdf.
O., J. S., H., N. A., & L., M. A. (2012). EVALUACIÓN DE MÉTODOS DE MANEJO DE NEMATODOS FITOPARÁSITOS EN PLÁTANO (Musa AAB) DOMINICO HARTÓN. Agronomía, 53-63.
Reinier Oropesa Nuñez, U. J. (2012). Las nanopartículas como portadores de fármacos: características y perspectivas. Revista CENIC Ciencias Biológicas, versión electrónica.
Sánchez, E. B., Ramelli, E. G., & Reynaldi, S. d. (2009). INFLUENCE OF INCUBATION CONDITIONS ON THE ACTIVATION OF ZOOSPORES OF Spongospora subterranea, SEARCHING FOR AN INOCULUM TO THE STUDY OF THE POWDERY SCAB. Universidad Nacional de Colombia, biblioteca digital, Universidad Nacional de Colombia.
Tortosa, G. (22 de 11 de 2012). La nanotecnolgía aplicada a la agricultura. Obtenido de www.hablandodeciencia.com: http://www.hablandodeciencia.com/articulos/2012/11/22/la-nanotecnologia-aplicada-a-la-agricultura/