LA VANILLA Y LOS HONGOS FORMADORES DE MICORRIZAS

LA VANILLA Y LOS HONGOS FORMADORES DE MICORRIZAS Nancy F. Ordoñez* María C. Díez**(*) Joel T. Otero***

Resumen: La vainilla extraída naturalmente de los frutos curados de la orquídea Vanilla planifolia, es un compuesto aromatizante y saborizante ampliamente usado alrededor del mundo, sin embargo, hoy en día cerca del 90% del aroma de vainilla proviene de origen sintético. El género Vanilla se distribuye tropicalmente, la mayoría de ellas en Américas y el cultivo de la vainilla se encuentra restringido a pocos paises. Naturalmente las orquídeas, se encuentran asociadas con hongos formadores de micorriza pertenecientes a la forma-género Rhizoctonia. En Vanilla se ha registrado la asociación con la formagénero Rhizoctonia específicamente con el grupo Ceratobasidium propuesto además como posible controlador de hongos patógenos. El cultivo de la vainilla con gran importancia económica para varias industrias, debe contar con un mínimo conocimiento sobre el papel que juegan estas asociaciones ya sea en el ámbito de la nutrición, o en la protección contra patógenos, para de esta forma lograr un crecimiento y vigor adecuado de las plantas y generar un mercado competitivo. Palabras Claves: Vanilla, Micorrizas, Endófitos, Orchidaceae, Nutrición, Colombia.

Origen de la esencia de vainilla La vainilla es un compuesto aromatizante y saborizante ampliamente utilizado en la industria farmacéutica, alimenticia y cosmética alrededor del mundo (Buccellato 2011, Frenkel et al. 2011). En la actualidad generan entre 60 y 80 millones de dólares para los países productores (Soto-Arenas & Dressler 2010). La esencia de vainilla es la mezcla de sustancias aromáticas cuyo compuesto *

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dominante es la vainillina (4-hydroxy-3-methoxybenzaldehyde) que puede ser de síntesis química o de origen natural (Walton et al. 2003). A traves de procesos biotecnológicos la vainilla puede ser sintetizada por microorganismos, enzimas o células en cultivo. Las dos fuentes más comunes de la vainillina sintética son: la lignina-vainillina, un subproducto de la industria del papel, que es tratada químicamente para semejarse al sabor de la esencia de vainilla y la etil-vainillina, un derivado del alquitrán de hulla (Labuda 2011). Mientras que la esencia de vainilla natural se obtiene a partir del extracto de los frutos curados de la planta Vanilla planifolia Jacks (Orchidaceae). Cabe anotar que desde el momento de la floración hasta el proceso de curado transcurre un periodo de aprox. 18 meses. Ver figura 1. Hoy en día, cerca del 90% del aroma de vainilla que se utiliza en todo el mundo proviene de origen sintético, y sólo un 10% es de origen natural; sin embargo, la vainilla sintética aún no se asemeja completamente y es poco competitiva con el perfil de sabor y aroma de vainilla natural.

Distribución del género El género Vanilla con 110 especies y de distribución pantropical (entre los 27° de latitud norte y sur) pertenece a la familia Orchidaceae (Soto-Arenas & Dressler 2010). La mayoría de ellas se encuentran en América tropical, seguido por el sudeste de Asia y Nueva Guinea, África, las islas del Océano Indico y el Pacífico (Minoo et al. 2007, Bory et al. 2007) Ver Figura 2. V. planifolia, la especie de mayor importancia comercial, se distribuye desde México hasta el sur de Suramérica (Grisoni et al. 2007, Minoo et al. 2007); también aparece en muchas referencias como V. fragrans. Otra especie menos conocida es la vainilla de las Indias Occidentales V. pompona Schiede que también tiene potencial en la extracción de vainilla comercial pero en muy baja cantidad (Soto-Arenas & Dressler 2010). No todas las especies de Vanilla son aromáticas, pues solo se reconocen unas 35 especies con esta característica, la mayoría de ellas con origen en América tropical (Soto-Arenas 2003). En Colombia se ha reportado la presencia de especies del género Vanilla en casi todo el territorio nacional (Chocó biogeográfico, región de la amazonía, Costa Pacífica y Atlántica) y específicamente se reporta la presencia de V. planifolia en 12 lugares mediante el registro de muestras de herbario (Ordoñez et al., 2011).

Breve recuento histórico La historia de la vainilla en el mundo comenzó con su descubrimiento por la cultura Maya en Mesoamérica, quienes desarrollaron los primeros métodos de ORQUIDEOLOGÍA XXIX(1), 2012

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curado del fruto a partir de poblaciones naturales. Los frutos curados se mezclaban con resina de copal para perfumar los templos y los frutos verdes tenían varios usos medicinales (Bythrow 2005). Las propiedades medicinales se siguen explorando y acreditando en la actualidad (Bythrow 2005, Hágsater et al. 2005), entre las cuales se destacan su capacidad antioxidante (Burri 1989) y antimicrobial (Choo 2006, Fitzgerald et al. 2004, Walton et al. 2003) y mostrar actividad anti-metastásico e inhibir la carcinogénesis química, dismuniyendo la invasividad de células cancerosas (Lirdprapamongkol et al. 2005) Luego, este conocimiento pasó a los indígenas mexicanos de la cultura Azteca, quienes utilizaban la vainilla en una bebida sagrada conocida como “chocolatl” preparada con cacao, vainilla y miel. Entre ellos la vainilla llegó a ser tan importante que servía como moneda para transacciones, de hecho, los pueblos que conquistaban le debían pagar tributo al emperador Azteca con frutos de vainilla (Bythrow 2005). En el siglo XVI los conquistadores españoles llevaron la vainilla a su país quiénes dominaban la comercialización de este producto a partir de la extracción y el cultivo en México. Desde España se dispersó a toda Europa, principalmente a los jardines botánicos donde se desarrollaron estudios sobre su horticultura (Peter 2004). Posteriormente, la vainilla fue introducida a las colonias francesas, inglesas y holandesas a finales del siglo XVIII y principios del siglo XIX en sitios como Reunión, Java, India, Tahití y las islas Seichelles, entre otros. Inicialmente los intentos por producir frutos de vainilla fuera de su lugar de origen fracasaron, debido a la carencia de los polinizadores naturales, las plantas florecían pero no fructificaban. En 1841 el esclavo Reuniosence Edmond Albius desarrolló el método de polinización manual, lo que permitió que se empezaran a extender los cultivos comerciales (Lucas 2011), gracias también a la facilidad de propagación vegetativa de la especie (Damirón 2004). Después de este desarrollo, los franceses comenzaron a cultivar Vanilla en muchas de sus islas, y lideraron su comercialización a partir de zonas de producción en el océano Índico que continúan siendo importantes en la actualidad (Smith 1992).

Producción El cultivo y producción de esta orquídea tropical se encuentra restringida a pocos países. Es una planta con una demanda especial de condiciones climáticas y del suelo. De acuerdo con las estadísticas de la FAO (2012), hasta hace algunos años Madagascar, era el principal país productor de vainilla natural, pero está perdiendo su liderazgo frente a Indonesia en registros para el año 2010. Se destaca el surgimiento de nuevas zonas de producción en países que no tenían la tradición del cultivo como China y varios países de África. Aunque México, fue el primer país productor de frutos de vainilla, perdió hace mucho tiempo el liderazgo; sin 58

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Figura 1. Arriba izquierda: Flores. Arriba derecha: Frutos inmaduros. Abajo: Frutos curados de Vanilla planifolia.

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Figura 2. Mapa de distribución del género Vanilla en el mundo.

Figura 3. Corte transversal de raíces terrestre de V. planifolia donde se observan pelotones en diferentes estados de formación en células ubicadas en la corteza de la raíz.

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embargo aún tiene cultivos en la zona de Papantla (Veracruz), sobre el golfo de México y aún se encuentra dentro de los 10 países productores (Tabla1). Tabla 1. Países importantes en la producción de vainilla en el mundo año 2010.

Región Indonesia Madagascar China México Turquía Tonga Comoras Polinesia Francesa Uganda Malawi

Producción (T) 2400 1900 1300 395 270 200 66 60 30 20

Datos FAO (revisado Abril-2012) (T: Toneladas)

Aunque hasta el momento, los estudios realizados del género Vanilla se encuentran centrados hacia la parte de producción y manejo en cultivo bajo condiciones de invernadero (Dignum et al. 2001, Fouché & Jouve 1999; Soto Arenas 2006, Odoux & Grisoni 2011) y manejo de los frutos curados (Dignum et al. 2001, Odoux 2011) se deberían considerar aspectos básicos de su biología, entre los que se incluye, interacciones que se presentan con otros organismos como las micorrizas y aspectos nutricionales. En Colombia, no se tienen investigaciones para este género, a pesar, que se tienen registros de la presencia de V. planifolia en los bosques de la región del Chocó (Ledezma et al. 2006, Misas 2005), en la Costa Atlántica, la región de Urabá, los valles interandinos y los bosques de la cuenca Amazónica, siendo hasta el momento un cultivo de tipo experimental.

Micorrizas de orquídeas Las orquídeas al igual que el 80-92% de las plantas superiores forman asociaciones simbióticas de tipo micorrizas (del griego mycos: hongo rrihos: raíz) (Wang &Qiu 2006). En el caso de la familia Orchidaceae, es un requerimiento fundamental por lo menos en los primeros estadios de la planta para el establecimiento en diferentes sustratos. En las semillas, es determinante para iniciar los procesos de germinación, debido a que son extremadamente pequeñas (0,4 – 1,25 mm ORQUIDEOLOGÍA XXIX(1), 2012

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de largo y 0,08-0,27 mm de ancho), carecen de endospermo, de cotiledones y presentan un embrión muy pequeño (Arditti 1992, Dressler 1981). Las semillas contienen pocas cantidades de proteínas, lípidos, azúcares y granos de almidón (Smith & Read 1997); sin embargo, estas pocas reservas no son suficientes para iniciar los procesos de germinación por sí solas. Los pelotones son las estructuras características de este tipo de micorriza, son estructuras miceliares que ocupan el espacio intracelular causando el desplazamiento de los organelos (Breddy 1991) y por lo general sólo se ubican en la corteza de las raíces ( ver figura 3). Los pelotones intracelulares tienen un periodo de vida limitado en la interacción con la micorriza, estudios en microscopia electrónica han revelado que durante la lisis (algunas veces llamada digestión) la hifa se convierte en una estructura desorganizada y sus paredes empiezan a adelgazarse formado finalmente una masa irregular y es en este momento donde se produce la trasferencia de nutrientes (Harley & Williamson 1971). Como consecuencia de estos procesos: colonización, lisis y transferencia de nutrientes, sumado a la capacidad de la mayoría de las plantas de realizar fotosíntesis se produce el crecimiento vegetal permitiendo un suministro continuo de nutrientes (Arditti 1992, Smith & Read 1997), estrategia que ha sido llamada mixotrofía (Sellose & Roy 2008). Estudios previos reportan que en orquídeas epífitas se encuentran una intensidad de colonización baja, comparado con las especies terrestres (Otero et al. 2002). Así mismo, se han demostrado que en las raíces aéreas de las especies epífitas, generalmente, las zonas de colonización se localizan justo en las zonas donde la raíz hace contacto con el árbol hospedero (Rasmussen 2002, Hadley & Williamson 1971, Porras-Alfaro & Bayman 2007). Sin embargo, estos estudios se han enfocado, principalmente, en orquídeas de zonas templadas a pesar que, el 90% de las especies de orquídeas epífitas se registran en las zonas tropicales y sub tropicales (Bayman et al. 2002). Muchos de los hongos endófitos conocidos de la micorriza orquidioide pertenecen a la clase Basidiomycetes, y por lo general se ha reportado la asociación con la forma-genero Rhizoctonia (Ceratobasidiales, Exidiales, Tulasnellales) (Shen et al. 1998, Warcup & Talbot 1967, 1980, Otero et al. 2002, 2004, 2005). Sin embargo, Kottke et al.(2009) registra la existencia de un nuevo grupo Atractiellomicetes encontrado en 32 especies de 103 orquideas terrestre y epifitas evaluadas (31%). Rhizoctonia es un patógeno de distribución mundial que ocasiona pérdidas en la mayoría de las plantas anuales y perennes incluyendo casi todos los cultivos horitícolas que se desarrollan dentro o sobre el suelo. Entre las enfermedades comúnmente causadas por este patógeno está el llamado damping-off o marchitamiento de las plántulas y la podredumbre de las raíces. En contraste, para la familia Orchidaceae, la forma-género Rhizoctonia se ha reportado como el 62

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agente formador de micorrizas (Shen et al. 1998), y hasta el momento los hongos asociados a orquídeas presentan muy bajos indices de patogenicidad para el resto de los cultivos (Mosquera-Espinosa et al. 2010). La forma - género Rhizoctonia, forma en medios de cultivo un micelio estéril blanco en colonias jóvenes (1-10 días) y se torna amarillo o de color café claro en colonias de más de 20 días. El micelio consta de células largas y produce ramificaciones que crecen en ángulo recto respecto a la hifa principal (Shen et al. 1998, Warcup & Talbot 1967, 1980). Sin embargo, el micelio generalmente no presenta caracteres diferenciales suficientes que permitan la identificación a nivel específico (Shen et al. 1998). Las red de hifas o micelio externo tiene acceso a abundantes fuentes de carbono en el suelo que pueden ser asimilados y transportados a la orquídea. El hongo formador de micorriza puede obtener un suministro continuo de fotosintatos a partir de la asociación existente con otras plantas del sistema, gracias a estas Redes Comunes de Micorrizas (Selosse et al. 2006), de esta forma pueden ser entregados nutrientes a las orquídeas gracias a la actividad fotosintética de otras plantas que se encuentran a su alrededor y a la conexión existente con otro tipo de micorrizas (Smith & Read 1997, Selosse et al. 2006). Hasta el momento no se registran reportes de este tipo de conexiones para zonas tropicales del nuevo mundo, y sólo se reporta un estudio realizado en Tailandia donde se encontró que todas las orquídeas estudiadas presentanban asociaciones con hongos ectomicorrizales tales como: Thelephoraceae, Russulaceae y Sebacidiales (Roy et al. 2009), propias de bosques de Dipterocarpaceae.

Micorrizas en Vainilla El único estudio, hasta el momento, en zonas tropicales en cuanto a asociaciones micorricicas de Vanilla se reporta en Puerto Rico (Porras-Alfaro & Bayman 2007). En este estudio la evaluación en los porcentajes de colonización muestra que las raíces de suelo presentaban una alta tasa de colonización comparado con las raíces aéreas adheridas a la corteza de árboles (Figura 4B). Una característica peculiar de las plantas de vainilla es que se han encontrado plantas vivas con ausencia total de raíces terrestres, demostrando que son facultativas o que no dependen enteramente de la asociación con micorrizas para su supervivencia. Los micosimbiontes obtenidos en este estudio corresponden a la forma-género Rhizoctonia (Ceratobasidium, Thanatephorus y Tulasnella), en la evaluación de las raíces se detectaron múltiples hongos en un mismo fragmento de raíz, o en ocasiones en un mismo pelotón, esto posiblemente sugiere que diferentes grupos de hongos micorrizales cumplen diferentes funciones dentro de la planta.

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Uno de los principales motivos para el estudio de las micorrizas en vainilla, es la posibilidad que las micorrizas puedan proteger a las plantas del ataque de patógenos (Azcón-Aguilar & Barea, 1996). Por ejemplo, existen evidencias de que otros tipos de micorrizas pueden proteger a la planta de un ataque de patógenos donde la asociacion de hongos hipovirulentos del grupo Rhizoctonia (P.e Ceratobasidum) ha resultado ser exitoso en el biocontrol de una variedad de patógenos, incluyendo Fusarium (González et al. 2006). Existen algunos mecanismos de acción para el biocontrol de patógenos, entre ellos se encuentran: i) inhibición directa del crecimiento de patógeno, ii) competencia por nutrientes o espacio, iii) aumento en las defensas de la planta a través de la producción de factores de crecimiento o resistencia sistémica inducida y mejora en el estados nutricional haciendo a la planta menos suceptible al ataque de patógenos (Bayman et al. 2011). En muchas áreas de cultivo, la vainilla es propagada a través de esquejes de una misma planta, haciendo a los cultivos más susceptible a cualquier patógeno que pueda afectar a ese genotipo en particular. La experimentación con plantas de vainilla y diversas cepas de hongos hipovirulentos del grupo Rhizoctonia como Ceratobasidium, puede mejorar las condiciones adaptativas de las plantas frente a serios problemas como la pérdida de la vigorosidad de las plantas debido al ataque de patógenos como Fusarium y Colletotrichum.

Perspectivas futuras El manejo integral de los cultivos, en este caso vainilla, en el que hasta el momento no se ha tenido en cuenta aspectos fundamentales como el conocimiento de las relaciones que esta planta forma con microorganismos del suelo, ni el potencial de hongos antagonistas para el control de patógenos, y el papel que desempeñan en la nutrición; adémas el desconocimiento en la diversidad de especies del género Vanilla y el potencial que éstos presentan sobre todo en las características organolepticas del fruto, posiblemente ha desplazado a Colombia al último lugar entre los países potenciales en la producción de este saborizante ampliamente usado en la industria. La implementación de paquetes tecnológicos en los que uno de los aspectos manejados adecuadamente sea la nutrición y las asociaciones que se presenten con microorganismo del suelo, específicamente organismos endófitos asociados a las raíces terrestres, ya que son ellos en gran medida los encargados de la translocación de nutrientes, disponibilidad de ellos en el suelo, generación de sustancias útiles en la defensa contra ataque de patógenos y herbívoros, tolerancia al estres da la posibilidad de poner en la vanguardia de la producción a países como Colombia que cuenta con unas condiciones climáticas adecuadas.

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Es fundamental la financiación de investigaciones es aspectos ecológicos que deberán producir resultados concretos en torno a un objetivo común: crecimiento rápido y vigor de las plantas, preludio de la producción de frutas de vainilla, además, del efectivo conocimiento en el manejo adecuado e integrado del cultivo de la vainilla.

Agradecimientos Los autores agradecen a la Universidad Nacional de Colombia sede Medellín y Palmira y al Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural por la financiación de esta investigación.

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