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Revista Agro, ISSN: 2215-6992 Volumen 2, Número 1, 1-22, enero-diciembre 2024
Calvo, J., Rojas, O., Vargas, A. El quitosano: un aliado en el manejo de enfermedades
en cultivos
El quitosano: un aliado en el manejo de
enfermedades en cultivos
Chitosan: an ally in plant diseases management
Quitosana: uma aliada no manejo de doenças de
plantas
José Alonso Calvo Araya
Escuela de Ciencias Agrarias, Universidad Nacional, Heredia, Costa Rica
ROR: https://ror.org/01t466c14
Contacto: alonso.calvo.araya@una.cr
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7294-6426
Oscar Rojas Carrillo
Laboratorio de Investigación y Tecnología de Polímeros, Escuela de
Química, Universidad Nacional, Heredia, Costa Rica
ROR: https://ror.org/01t466c14
Contacto: oscar.rojas.carrillo@una.cr
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1305-7615
Alejandro Vargas Martínez
Escuela de Ciencias Agrarias, Universidad Nacional, Heredia, Costa Rica
ROR: https://ror.org/01t466c14
Contacto: alejandro.vargas.martinez@una.ac.cr
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8039-8984
Recibido
7-11-23
Revisado: 15-12-24
Aprobado
15-12-24
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Calvo, J., Rojas, O., Vargas, A. El quitosano: un aliado en el manejo de enfermedades
en cultivos
Resumen
La utilización de biopolímeros como el quitosano en la agricultura es una
alternativa eficiente y amigable en el manejo de enfermedades de cultivos,
principalmente, desde un enfoque agroecológico y sostenibilidad donde
hace uso de subproductos de la industria. Generalmente, la acción biocida
está basada en inhibición de la germinación de los conidios de hongos,
disrupción de la membrana celular de bacterias fitopatógenas, lo cual
afecta la eclosión de huevos en nematodos fitoparásitos. Otros tipos de
interacciones positivas que median en el control de fitopatógenos están en
el crecimiento vegetal, inductor de resistencia en el hospedante,
incremento de microorganismos degradadores de quitina en el suelo. En
la siguiente revisión se aborda el concepto de quitosano, principales usos
en el control de enfermedades, efecto sobre los principales grupos de
microorganismos fitopatógenos, inducción de resistencia mediada por
quitosano y nuevas aplicaciones en la agricultura. Actualmente, se
demuestra que el uso de sustancias alternativas como es el quitosano
muestra un buen control de agentes patógenos de plantas y cada vez es
mayor su aceptación y utilización dentro del manejo integrado de
enfermedades de cultivos. Por lo cual, el objetivo de esta revisión es
examinar los principales aspectos relacionados al quitosano y como este
es utilizado para controlar ya sea directa o indirectamente los problemas
fitosanitarios en los cultivos.
Palabras claves: Enfoque Agroecológico, Sostenibilidad en Subproductos
de la Industria, Control de Enfermedades, Agentes Patógenos.
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Calvo, J., Rojas, O., Vargas, A. El quitosano: un aliado en el manejo de enfermedades
en cultivos
Abstract
The use of biopolymers such as chitosan in agriculture is an efficient and
friendly alternative in the management of crop diseases, mainly from an
agroecological and sustainability approach where it makes use of industry
byproducts. Generally, the biocidal action is based on inhibition of the
germination of fungal conidia, disruption of the cell membrane of
phytopathogenic bacteria, affecting the hatching of eggs in phytoparasitic
nematodes. Other types of positive interactions that mediate the control
of phytopathogens are promotion of plant growth, inducer of resistance in
the host, increase of chitin-degrading microorganisms in the soil. The
following review addresses the concept of chitosan, main uses in disease
control, effect on the main groups of phytopathogenic microorganisms,
induction of resistance mediated by chitosan and new applications in
agriculture. Currently, it is demonstrated that the use of alternative
substances such as chitosan shows good control of plant pathogens and
its acceptance and use within the integrated management of crop diseases
is increasing. Therefore, the objective of this review is to examine the
main aspects related to chitosan and how it is used to control, either
directly or indirectly, phytosanitary problems in crops.
Keywords: Agroecological Approach, Sustainability in Industrial By-
Products, Disease Control, Pathogenic Agents.
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Resumo
A utilização de biopolímeros como a quitosana na agricultura é uma
alternativa eficiente e amigável no manejo de doenças agrícolas,
principalmente a partir de uma abordagem agroecológica e de
sustentabilidade onde faz uso de subprodutos da indústria. Geralmente, a
ação biocida baseia-se na inibição da germinação de conídios fúngicos,
rompimento da membrana celular de bactérias fitopatogênicas, afetando
a eclosão de ovos em nematóides fitoparasitas. Outros tipos de interações
positivas que medeiam o controle de fitopatógenos são a promoção do
crescimento das plantas, indutor de resistência no hospedeiro, aumento
de microrganismos degradadores de quitina no solo. A revisão a seguir
aborda o conceito de quitosana, principais usos no controle de doenças,
efeito nos principais grupos de microrganismos fitopatogênicos, indução
de resistência mediada pela quitosana e
novas aplicações na agricultura. Atualmente, está demonstrado que o uso
de substâncias alternativas como a quitosana apresenta um bom controle
de fitopatógenos e sua aceitação e utilização no manejo integrado de
doenças agrícolas está aumentando. Portanto, o objetivo desta revisão é
examinar os principais aspectos relacionados à quitosana e como ela é
utilizada para controlar, direta ou indiretamente, problemas fitossanitários
nas culturas.
Palavras-chave: Abordagem Agroecológica, Sustentabilidade em
Subprodutos Industriais, Controle de Doenças, Patógenos.
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en cultivos
Introducción
El manejo de enfermedades en los cultivos presenta retos cada vez más
desafiantes como el cambio climático, rentabilidad, uso de la tierra,
inestabilidad política y el crecimiento poblacional (Garrett, et al. 2018).
Sumado a esto, el actual incremento en los costos de insumos agrícolas,
aplicación excesiva de plaguicidas sintéticos que ha conllevado al
desarrollo de resistencia por parte de los fitopatógenos, problemas de
contaminación ambiental y restricciones en el uso de ciertos productos
(Hasheminejad et al., 2019).
En los últimos años ha surgido una preocupación por parte de los
consumidores que demandan alimentos seguros para la salud humana y
amigables con el ambiente (Rodríguez-Pedroso et al., 2021). Además, los
requisitos de comercialización son cada vez más estrictos en cuanto a los
principios activos permitidos y los límites máximos de residuos en los
alimentos (Romanazzi, et al., 2018). Actualmente, las industrias optan por
innovar mediante el uso de materias primas ecológicas, con propiedades
equivalentes a las de los productos sintéticos, y que además conserven su
funcionalidad (Palacios et al., 2022).
Por muchos años se han utilizado plaguicidas sintéticos como principal
estrategia de manejo de enfermedades, los cuales en su mayoría tienen
un largo efecto residual en el suelo durante un gran periodo de tiempo
(Sampathkumar et al., 2020). Debido a lo anterior, es de vital importancia
realizar una sustitución de estos biocidas convencionales hacia la adopción
e implementación de alternativas no químicas que permitan tener una
buena protección de los cultivos.
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El manejo de enfermedades tanto de suelo, como de partes aéreas en los
cultivos es un reto de suma importancia. Se deben buscar productos que
disminuyan las pérdidas económicas, con bajos efectos ambientales y de
nulo impacto en la salud humana (Jeger et al., 2021). Asimismo, la
demanda por una población mundial cada vez más creciente, con
exigencias en cuanto a calidad e inocuidad, con estimaciones para el año
2050 de 9000 millones de personas.
Dentro de los tres componentes que deben ser considerados para realizar
un cambio en los métodos tradicionales de control están sociedad,
económico y ecológico. Lo anterior es necesario para satisfacer la
demanda de la población mundial y a la vez incrementar la producción,
reducir la contaminación por micotoxinas, garantizar la diversidad y
razonabilidad de alimentos en los mercados.
Se debe promover la utilización de diferentes insumos agrícolas que
sustituyan el empleo de plaguicidas convencionales y permitan de manera
directa e indirectamente contribuir a un manejo sostenible de
enfermedades y por ende una disminución en la afectación de
microrganismos fitopatógenos en los cultivos.
La siguiente revisión permitirá tener una visión general de la investigación
sobre el uso de quitosano en la agricultura, específicamente, sobre
enfermedades en cultivos y su impacto en la fitosanidad de los sistemas
productivos.
Se recopila información actualizada sobre el quitosano desde una mirada
fitosanitaria. Se considera la historia de su descubrimiento, la molécula
per se, un resumen de las aplicaciones para el manejo de enfermedades
en cultivos y la importancia de desarrollar productos amigables con la salud
y el medio ambiente.
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Metodología
Para la escritura de este artículo se realizó una revisión de documentación
científica entre octubre y noviembre de 2022. Lo anterior, tuvo un enfoque
sistémico: inicialmente, se consultaron bases de datos tales como Science
Direct, Scopus y Web of Science. En cada una de las búsquedas realizadas
se emplearon todas las combinaciones de dos grupos de palabras claves
en el cual en el primer grupo: quitosano y en el segundo grupo las
siguientes palabras enfermedades, manejo, fitopatógenos. Las
escogencias de estas bases de datos se realizaron debido a que la
Universidad Nacional (UNA) cuenta con suscripción a estas, asimismo de
que cuentan con una gran cobertura de literatura científica relevante en
temas agronómicos.
El manejo de información obtenida se realizó a través de la versión de
prueba del software EndNote™20. Se recopilaron y seleccionaron artículos
científicos relevantes en el tema de quitosano y el uso de este biopolímero
en el manejo alternativo de enfermedades, lo cual constituyó el insumo
para la redacción del presente artículo.
Desarrollo
El quitosano es un polisacárido natural, biodegradable, no tóxico y
bioactivo, derivado de la quitina que se obtiene a partir del caparazón de
los crustáceos (Bauer y Villegas 2022). El quitosano es el segundo
biopolímero más abundante y posee características únicas de
biodegradabilidad, no tóxico para humanos, lo que lo convierten en un
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excelente producto para diversos usos en la agricultura (Sreelatha et al.,
2022).
El quitosano resulta ser muy atractivo para la ciencia debido a su alta
solubilidad en agua y facilidad para el proceso de derivatización. Estas
propiedades le permiten a esta materia prima incursionar en múltiples
aplicaciones: biomédica, farmacéutica, agrícola y alimentaria (Romero &
Pereira, 2020). Este polímero puede ser encapsulado en nanopartículas de
diferentes ingredientes activos de fungicidas e insecticidas y se ha
demostrado que la encapsulación en nanopartículas mejora la eficacia de
los ingredientes activos, reduce su volatilización, disminuye la toxicidad y
la contaminación ambiental (Kashyap, Xiang & Heiden. 2015).
Bauer y Villegas (2022) indican que los principales usos en la agricultura
son los siguientes: promotor del crecimiento vegetal, agentes
antimicrobianos para combatir fitopatógenos, y cubiertas de fertilizantes
para su liberación controlada. Debido a su baja toxicidad, esta sustancia
fue el primer compuesto en la lista de sustancias básicas aprobadas en la
Unión Europea, con fines de protección de plantas para uso en agricultura
orgánica y en manejo integrado de plagas (Romanazzi, Feliziani &
Sivakumar, 2018). Algunas de las aplicaciones que tienen más auge en la
actualidad es como preservante de alimentos, antihongos y antibacterial,
fabricación de películas de empaque, recubrimiento de semillas y como
agente floculante (Romero & Pereira, 2020).
En los años 90 se comenzó a utilizar el biopolímero en la agricultura, ya
que presentaba características muy interesantes tales como
antibacteriano, antifúngico y antiviral. Además, por su capacidad de
retardar la liberación de los plaguicidas y fertilizantes (Palacios, et al.
2022).
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Aplicaciones del quitosano para el manejo de fitopatógenos
Debido a la prohibición de muchos ingredientes activos presentes en los
plaguicidas sintéticos utilizados para el control de enfermedades, los
productos derivados del quitosano empezaron a ser utilizados en los
últimos años para el control de enfermedades de cultivos y en
tratamientos poscosecha (Yin & Du, 2011).
Por lo tanto, gracias a la alta actividad microbiana, biocompatibilidad,
biodegradabilidad y no toxicidad del quitosano, se ha estudiado
ampliamente durante las últimas décadas (Ma et al., 2017). Este
biopolímero se obtiene a partir de una materia prima fácil de adquirir, de
bajo costo, de alto peso molecular y buen agente quelante (Montenegro,
Vega & Hernández. 2019). El quitosano puede quelar varios compuestos
orgánicos e inorgánicos, lo que lo hace muy adecuado para mejorar la
estabilidad, la solubilidad y la actividad biocida de los fungicidas e
insecticidas (Kashyap, Xiang & Heiden 2015).
Este biopolímero induce una producción de ácidos orgánicos,
carbohidratos, aminoácidos y otros metabolitos para el ajuste osmótico,
la señalización del estrés y el metabolismo energético (Hidangmayum et
al., 2019). Presenta triple acción al entrar en contacto con la planta: 1)
activación de las defensas de la planta hospedante; 2) actividad
antimicrobiana y 3) formación de una película sobre la superficie
(Romanazzi, Feliziani & Sivakumar, 2018).
El quitosano puede afectar la expresión génica al generar cambios en la
interacción con la cromatina, y, también, puede unirse a receptores
específicos (Palacios et al., 2022). Asimismo, puede inducir un gen de
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quinasa similar a un receptor (Hidangmayum, et al., 2019). Este induce
mecanismos de defensa en tejidos vegetales mediante la activación de
genes de defensa (Guzmán, et al., 2019).
Costales-Menéndez et al. (2021) concluyen que el quitosano estimula
una respuesta defensiva en la planta e induce la acumulación de
proteínas y modula los indicadores enzimáticos defensivos relacionados
con la protección contra el ataque de patógenos. Esto implica una serie
de cambios fisiológicos en la planta que puede afectar la expresión de
diversos genes (Romanazzi, Feliziani & Sivakumar, 2018). De tal manera
que aumenta los niveles de clorofila e induce actividad de enzimas
implicadas en el metabolismo oxidativo como el superóxido dismutasa, la
peroxidasa y la catalasa (Kashyap, Xiang & Heiden 2015). Además,
induce la producción de fluoroquinolonas, cumarinas y alcaloides (Kiran,
Zainul, & Kamaluddin, 2020).
Plantas con estrés biótico sometidas a quitosano han mostrado respuesta
de defensa, producción de fitoalexinas y proteínas relacionadas a la
patogénesis, formación de callos, biosíntesis de lignina e inducción de
genes de respuesta al estrés (Hidangmayum, et al., 2019).
Actividad antifúngica
Se ha reportado la capacidad del quitosano para afectar varios estadios
del desarrollo de los hongos (Rodríguez, et al., 2021). Además, inhibe el
crecimiento micelial (Valle, et al., 2021) al interactuar con las
membranas fúngicas produciendo permeabilización, pérdida de proteínas
y aminoácidos (Cortés, et al., 2021). Dicha actividad antifúngica depende
de la masa molecular, el grado de concentración y de acetilación al que
se encuentre el quitosano (Rodríguez, et al., 2021).
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Un estudio sobre el efecto del quitosano sobre Curvularia lunata a
diferentes masas moleculares indica que el porcentaje de inhibición sobre
el hongo fue significativamente mayor a medida que aumentaba la
concentración (Valle, et al. 2021).
El quitosano despolariza la membrana plasmática de las raíces de las
plantas e incrementa las especies reactivas del oxígeno (ROS) en
plantas. Esto está ligado a un incremento en la secreción del ácido
jasmónico y otros compuestos en los exudados radiculares (Suarez-
Fernández et al., 2020). Además, permeabiliza la membrana de hongos
fitopatógenos (Palma-Guerrero et al., 2010).
La aplicación de nanopartículas de quitosano en poscosecha han dado
buenos resultados para evitar problemas relacionados con procesos de
maduración y enfermedades poscosechas (Esyanti et al., 2019).
Actividad nematicida
Los métodos de control tradicionales para el manejo de nematodos
fitoparásitos han sido los nematicidas químicos, sin embargo, estos son
altamente tóxicos para las personas, presentan alta residualidad,
problemas de resistencia y contaminación ambiental.
El quitosano actúa como un elicitor que contribuye en la resistencia local
e inducida contra el nematodo agallador M. incognita en el cultivo de
tomate (Radwan et al., 2012). En este mismo sentido Zinoveva et al.
(1999) encontraron que aplicaciones de quitosano activaron el sistema de
resistencia de plantas de tomate por medio del incremento de la acción
lipoxigenasa, lo cual redujo la invasión.
Aplicaciones vía Drench de nanopartículas de quitosano suprimieron las
poblaciones de J2 en el suelo en un 64,50 y el agallamiento radicular se
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redujo en un 67,87 y 56,40 % pre y posinfección, respectivamente
(Khalil et al., 2022).
Aplicaciones de quitosano al 4,4 % incrementaron la tolerancia de Pinus
pinaster a Bursaphelenchus xylophilus, lo cual resultó en una disminución
de la densidad poblacional del nematodo, incremento de la acumulación
de metabolitos involucrados en actividad antioxidante, incremento de la
expresión diferencial de genes para tolerancia al estrés (Nunes da Silva
et al., 2021). El quitosano a una concentración de 0,25 % mostraron
para el control de A. besseyi en el cultivo de arroz (Ibrahim y Kurniawati
2020).
Quitosano a concentraciones de 0,5 %, 1 % y 2 % redujeron el número
de agallas y la densidad poblacional de J2 en el suelo, donde la
concentración más efectiva fue la del 2,0 % en condiciones in vitro con
un efecto nematicida y reduciendo la eclosión y mortalidad sobre J2 en
más de un 70 % (Göze et al., 2022).
Actividad antibacteriana
Diversos estudios han confirmado la acción del quitosano contra una
amplia gama de patógenos que afectan los cultivos (Valle, et al., 2021).
Este compuesto es antimicrobiano por su acción bactericida y fungicida
en el crecimiento y desarrollo de bacterias, hongos y oomycetes. La
inhibición de dichas especies de microorganismos patógenos depende del
grado de desacetilación, el pH, los cationes divalentes y el tipo de
solvente (Zhang, et al., 2022).
La actividad antimicrobiana es de sus principales aplicaciones y este
depende de la concentración a la que se utilice (Romanazzi, Feliziani &
Sivakumar, 2018). Además, penetra las membranas celulares,
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fácilmente, e inhibe el crecimiento bacteriano al inhibir el ARN de
transcripción (Zhang, et al., 2022).
Sampathkumar, Xian, & Joachim (2020) indican que existe un efecto
sinérgico cuando se utiliza los aceites esenciales con propiedades
antibacterianas como el del tomillo y canela en combinación con
quitosano vía encapsulación.
Estudios realizados Wang et al. (2012) demuestran la efectividad del
quitosano contra la bacteria Xanthomonas. Este efecto antagonista
estuvo relacionado, principalmente, en el daño causado a la membrana
de la célula. Asimismo, nanopartículas de quitosano cargadas con el
aceite esencial de tomillo, principalmente, contra bacterias fitopatógenas
de suelo (Pecarski et al., 2014).
Aplicaciones de nanopartículas de quitosano con timol presentan
actividades bactericidas contra Xanthomonas campestris pv. campestris;
reduce su crecimiento, viabilidad celular y la reducción del pigmento
xanthomonadina. Lo anterior debido, principalmente, a la disrupción de
la integridad de la membrana celular (Sreelatha et al., 2022).
Uso como protectante
Actualmente, el quitosano es utiliza como parte de recubrimientos
comestibles para preservar la calidad de frutas y verduras poscosecha
(Sampathkumar, Xian, & Joachim. 2020) y extender su vida útil sin
producir cambios en las propiedades organolépticas y nutricionales de los
alimentos sometidos a esta recubierta (Phuoc et al., 2019).
De tal manera que se puede aplicar en la superficie de la planta por
inmersión o rociado. Este compuesto es comestible y su espesor,
viscosidad y permeabilidad dependen, mayoritariamente, del ácido en
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que se disuelva. Esta película formada sobre la superficie funciona como
bloqueador de intercambio de gases; lo que retrasa la maduración de la
fruta poscosecha (Romanazzi, Feliziani & Sivakumar, 2018).
El quitosano actúa como un elicitor exógeno para frutas y verduras, para
inducir la resistencia del huésped contra los patógenos (Zhou, Zhang &
Zeng. 2016). También, es importante tomar en cuenta que el quitosano,
al tener este efecto elicitor, puede aumentar la permeabilidad celular y el
aumento de la permeabilidad de las membranas vegetales a menudo se
ha relacionado con la pérdida de viabilidad de las células vegetales
(Kiran, U. Zainul, M. & Kamaluddin, 2020).
Además, en situaciones de sequía, las aplicaciones con quitosano
inducen el cierre de la estoma, a través de la síntesis de ABA, lo cual
reduce la transpiración y mantiene la humedad en la planta (Palacios, et
al., 2022. & Hidangmayum, et al., 2019).
Investigaciones en Costa Rica
El Laboratorio de Investigación en Ciencia y Tecnología (POLIUNA) de la
Universidad Nacional (UNA) obtiene biomateriales con características
biocompatibles, que puedan ser incorporados en sistemas de
biosensores, en aplicaciones biomédicas y diagnóstico. A partir de
diferentes investigaciones se han sintetizado nanopartículas metálicas
(oro, plata, magnetita) y poliméricas empleando “soft template” como
liposomas o emulsiones como medio de reacción o simplemente en
disolución.
Un campo de intenso estudio en el grupo del POLIUNA ha sido la
producción de quitina y quitosano a partir de biomasa de la industria
camaronera. La extracción y modificación química de estos biopolímeros
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ha sido realizado a nivel de planta piloto. Ambos polímeros han sido
investigados para formular diferentes sistemas con aplicaciones en el
campo farmacéutico, agrícola, en el tratamiento de efluentes de agua
potable o como sistema de encapsulamiento de sustancias bioactivas
(hongos, proteínas, drogas, entre otras).
Conclusiones
En conclusión, el quitosano constituye una herramienta con gran
potencial para ser utilizada en el manejo de enfermedades de los cultivos
tanto en campo abierto, como en invernadero. Sin embargo, para hacer
un uso eficiente de este biopolímero es indispensable tomar en cuenta
aspectos como el material de origen, formulación y formas de aplicación.
También, se ha visto que la combinación del quitosano con otros
productos alternativos para el control de enfermedades como extractos
botánicos, biofertilizantes, biocontroladores potencian el efecto de control
ejercido sobre los microorganismos fitopatógenos. Adicionalmente, al
efecto antagónico el quitosano favorece el crecimiento de
microorganismos en el suelo que pueden actuar como reguladores
naturales. De tal manera que existe una gran diversidad de usos y
formulaciones según criterios científicos con el objetivo de utilizar este
biopolímero de manera eficiente para la fitoprotección.
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