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Efficiency of melatonin as a mitigating agent for saline stress in Formosa papaya in hydroponic systems

Este estudio demuestra que, si bien los sistemas hidropónicos flotantes ofrecen inherentemente una mayor tolerancia a la salinidad para la papaya Formosa que los sistemas basados en arena, la aplicación de melatonina en concentraciones de 50 µM o superiores mitiga eficazmente los efectos negativos del estrés salino en el crecimiento en ambos sistemas hidropónicos.

Autores originales: Brenda Adelino Macêdo Campelo, Vander Mendonça, Francisco Assis de Oliveira, Maria Júlia Silva Oliveira, Jeane Cruz Portela, Rayanne Aires Dantas, Francisco Felipe Barroso Pinto, Antônio Gustavo Luna

Publicado 2026-09-30

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CC BY 4.0

Autores originales: Brenda Adelino Macêdo Campelo, Vander Mendonça, Francisco Assis de Oliveira, Maria Júlia Silva Oliveira, Jeane Cruz Portela, Rayanne Aires Dantas, Francisco Felipe Barroso Pinto, Antônio Gustavo Luna Souto, Vanessa Barbosa Brilhante, Francisco Valdegones Selina Caruca, Isadora Karolline Silva, Layza Mayrla Abreu, Karen Geovana Silva Carlos, Breno Leonan Carvalho Lima, Mario Jonas Veras Costa, Vinicius Lima Dias, Giselly Emilly Gonçalves Queiroz

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

En los rincones áridos del mundo, donde el sol castiga y el agua dulce es un bien escaso, los agricultores se enfrentan a un enemigo silencioso: la sal. Cuando el suelo o el agua de riego contienen demasiada sal, esta actúa como una esponja que extrae la humedad de las raíces de las plantas, dejándolas sedientas incluso cuando están rodeadas de agua. Esta condición, conocida como estrés salino, obliga a las plantas a detener su maquinaria interna, deteniendo su crecimiento y la producción de alimentos. Para cultivos como la papaya, que son vitales para las economías de las regiones tropicales, esto puede ser devastador. Para combatir esto, los científicos han estado explorando formas de ayudar a las plantas a sobrevivir a estas condiciones duras, buscando a menudo sustancias naturales que puedan actuar como un escudo. Una de estas sustancias es la melatonina. Aunque la mayoría de la gente la conoce como una hormona que ayuda a los humanos a dormir, las plantas también la producen, utilizándola para gestionar el estrés y proteger sus células de los daños. La pregunta que los investigadores se han estado haciendo es si dar melatonina extra a una planta que lucha por sobrevivir puede ayudarla a resistir los efectos punitivos del agua salada.

Un equipo de investigadores en Brasil se propuso probar esta idea utilizando plantas de papaya, específicamente la variedad Formosa, que se cultiva ampliamente por su fruto dulce. Llevaron a cabo su experimento dentro de un invernadero, cultivando las plantas en dos tipos diferentes de configuraciones sin suelo. Un método consistía en hacer flotar las plantas sobre una cama de espuma, con sus raíces colgando directamente en una solución de agua rica en nutrientes. El otro método colocaba las plantas en macetas llenas de arena lavada, la cual era luego regada con la misma solución nutritiva. Los científicos querían ver si la forma en que se cultivaban las plantas cambiaría la manera en que manejaban la sal. Sometieron a las plantas a diferentes niveles de salinidad en su agua, que variaban desde un nivel leve hasta una concentración alta que normalmente causaría daños signific efectivos. Para las plantas que enfrentaban los niveles altos de sal, los investigadores aplicaron diferentes dosis de melatonina a sus hojas, probando si esta hormona podía actuar como un agente de rescate.

Los resultados revelaron una clara diferencia entre los dos métodos de cultivo. Las plantas que crecían en el sistema flotante, donde sus raíces estaban constantemente bañadas en agua, resultaron ser mucho más resilientes. Incluso cuando el agua se volvió muy salada, estas plantas continuaron creciendo bien, demostrando que este método de cultivo ayuda naturalmente a la papaya a tolerar altos niveles de sal. En contraste, las plantas que crecían en el sustrato de arena lucharon significativamente cuando fueron expuestas a la misma agua salada. Su crecimiento se ralentizó, sus hojas se encogieron y produjeron mucha menos biomasa, o peso total de la planta, que sus contrapartes flotantes. Esto sugiere que el sistema de arena hizo que las plantas fueran más vulnerables al estrés de la sal, probablemente porque las raíces tenían que trabajar más duro para encontrar agua en el suelo en comparación con el sistema flotante, donde el agua estaba disponible de inmediato.

Sin embargo, la historia cambió cuando se introdujo la melatonina en las plantas que luchaban en la arena. La hormona actuó como un poderoso amortiguador contra la sal. Cuando los investigadores aplicaron melatonina a las hojas de las plantas en la arena, redujeron significativamente el daño causado por la sal. Las plantas que recibieron el tratamiento con la hormona crecieron más altas, desarrollaron tallos más gruesos y produjeron más hojas y raíces que las plantas no tratadas que enfrentaban las mismas condiciones salinas. El estudio encontró que las dosis de melatonina a partir de un nivel moderado específico fueron efectivas para mitigar los efectos negativos. La hormona pareció ayudar a las plantas a mantener sus sistemas internos funcionando sin problemas, permitiéndoles absorber dióxido de carbono y producir energía incluso bajo estrés. Actuó como un escudo protector, ayudando a las plantas a mantener su estructura y continuar creciendo cuando de otro modo se habrían marchitado.

Los investigadores también observaron de cerca cómo respiraban y procesaban la energía. Midieron cuánta agua perdían las plantas a través de sus hojas y cuánto dióxido de carbono absorbían. En el sistema flotante, las plantas manejaron la sal con facilidad, mostrando pocos cambios en sus patrones de respiración. Pero en el sistema de arena, la sal causó que las plantas cerraran sus poros para ahorrar agua, lo que a su vez impidió que tomaran el dióxido de carbono que necesitaban para crecer. La aplicación de melatonina ayudó a revertir esta tendencia en las plantas cultivadas en la arena. Les permitió mantener sus poros abiertos lo suficiente para funcionar correctamente sin perder demasiada agua, equilibrando eficazmente sus necesidades. Este ajuste fisiológico significó que las plantas podían seguir construyendo nuevo tejido y acumulando peso a pesar del entorno hostil.

En última instancia, el estudio demostró que, si bien la forma en que se cultiva un cultivo juega un papel masivo en su capacidad para sobrevivir a las condiciones salinas, existe una herramienta química disponible para ayudar cuando el entorno es menos que ideal. El sistema hidropónico flotante proporcionó una ventaja natural, haciendo que las plantas fueran inherentemente más tolerantes a la sal. Pero para sistemas donde las plantas están más expuestas al estrés, como los de arena, la aplicación de melatonina a las hojas ofreció una solución viable. No eliminó completamente el estrés, pero redujo significativamente el daño, permitiendo que las plantas de papaya mantuvieran su crecimiento y salud. Este hallazgo ofrece una estrategia prometedora para los agricultores en regiones secas y salinas que necesitan cultivar productos utilizando agua que, de otro modo, sería demasiado dura para la agricultura estándar. Al comprender cómo usar las hormonas naturales para apoyar la resiliencia de las plantas, puede ser posible convertir tierras marginales en campos productivos, asegurando que cultivos vitales como la papaya puedan prosperar incluso cuando el agua no es perfecta.

Resumen Técnico: Eficiencia de la Melatonina como Agente Mitigante del Estrés Salino en Papaya Formosa en Sistemas Hidropónicos

Planteamiento del Problema
La salinidad representa un estresor abiótico crítico que afecta la producción agrícola, particularmente en las regiones semiáridas del Noreste de Brasil, donde el agua subterránea suele presentar una alta conductividad eléctrica (CE). La papaya Formosa (Carica papaya L.), un cultivo de gran valor económico y nutricional, está clasificada como moderadamente sensible a la salinidad, con un umbral entre 2.0 y 4.0 dS m⁻¹. La exposición al estrés salino induce cambios metabólicos, incluyendo la reducción en la absorción de agua, el cierre estomático, la restricción de la fotosíntesis y la inhibición de la división celular, lo que finalmente compromete el crecimiento y la biomasa. Si bien los sistemas hidropónicos ofrecen entornos controlados, la eficacia de la melatonina exógena (N-acetil-5-metoxitriptamina) como agente mitigante contra el estrés salino, específicamente en la papaya bajo diferentes configuraciones hidropónicas, es un área que requiere mayor investigación.

Metodología
El estudio empleó un diseño experimental de parcelas divididas realizado en un invernadero en la Universidad Federal Rural del Semiárido (UFERSA), Brasil. Las parcelas principales consistieron en dos sistemas hidropónicos distintos:

Sistema Flotante: Plantas cultivadas en macetas de 10 dm³ con las raíces en contacto constante con una solución nutritiva circulante.
Sistema de Sustrato: Plantas cultivadas en macetas de 10 dm³ llenas con arena de textura media lavada.

Las subparcelas comprendieron cinco combinaciones de tratamientos que involucraban niveles de salinidad y concentraciones de melatonina:

C1: 2.0 dS m⁻¹ + 0 µM de melatonina (Control).
C2: 5.0 dS m⁻¹ + 0 µM de melatonina (Estrés salino).
C3: 5.0 dS m⁻¹ + 50 µM de melatonina.
C4: 5.0 dS m⁻¹ + 100 µM de melatonina.
C5: 5.0 dS m⁻¹ + 200 µM de melatonina.

Las plántulas de papaya (cultivar Fomosa Tainung No. 1) fueron trasplantadas 30 días después de la siembra. La melatonina se aplicó foliarmente mediante un pulverizador para asegurar el humedecimiento completo de las hojas. Las evaluaciones se realizaron 48 días después del trasplante para las variables de intercambio gaseoso (transpiración, asimilación de CO₂, conductancia estomática, CO₂ interno, eficiencia en el uso del agua y eficiencia de carboxilación) y 50 días después del trasplante para las variables morfológicas y de biomasa (altura de la planta, diámetro del tallo, longitud de la raíz, volumen de la raíz, área foliar, número de hojas y masas secas de hojas, tallos, raíces y total).

Resultados Clave
El análisis de varianza reveló interacciones significativas entre el sistema de cultivo y las combinaciones de salinidad/melatonina para la mayoría de las variables fisiológicas y de crecimiento.

Influencia del Sistema Hidropónico: El sistema flotante demostró una mayor tolerancia a la salinidad en comparación con el sistema de sustrato de arena. En el sistema flotante, el estrés salino (5.0 dS m⁻¹) no redujo significativamente la altura de la planta, el diámetro del tallo ni la acumulación de biomasa en ausencia de melatonina. Por el contrario, el sistema de sustrato exhibió efectos deletéreos severos por la salinidad, incluyendo reducciones significativas en la altura de la planta (35.9%), el diámetro del tallo (33.6%), el volumen de la raíz (82.1%) y la masa seca total (78.0%).
Intercambio Gaseoso: La salinidad afectó el intercambio gaseoso de manera distinta según el sistema. En el sistema flotante, la salinidad aumentó la conductancia estomática ( $g_s$ ) en un 123.7% en comparación con el control, mientras que en el sistema de sustrato, la redujo en un 48.2%. La aplicación de melatonina generalmente redujo la conductancia estomática en el sistema flotante, pero mitigó la reducción inducida por el estrés en el sistema de sustrato.
Eficacia de la Melatonina:
- Sistema Flotante: La aplicación de melatonina no mejoró significativamente el rendimiento en el sistema flotante, ya que las plantas ya eran altamente tolerantes a las condiciones salinas. En algunos casos, las dosis más altas de melatonina (por ejemplo, 200 µM) redujeron ligeramente la fotosíntesis.
- Sistema de Sustrato: La aplicación de melatonina fue efectiva para mitigar los efectos negativos de la salinidad. Específicamente, las concentraciones a partir de 50 µM redujeron el impacto perjudicial del estrés salino en los parámetros de crecimiento y la biomasa. Las dosis de 100 µM y 200 µM mostraron la asociación más fuerte con las variables de crecimiento radicular (longitud y volumen) y la acumulación de masa seca total, respectivamente, en el Análisis de Componentes Principales (PCA).
Acumulación de Biomasa: En el sistema de sustrato, la aplicación de melatonina restauró los niveles de acumulación de biomasa a valores más cercanos al control no estresado. Por ejemplo, en el sistema de sustrato, la ausencia de melatonina bajo salinidad causó una reducción del 73.67% en la masa seca foliar, mientras que la aplicación de melatonina redujo esta pérdida significativamente.

Significancia y Conclusiones
El estudio concluye que el sistema de cultivo es un factor decisivo en la respuesta de la papaya a la salinidad. El sistema hidropónico flotante promueve intrínsecamente una mayor tolerancia al estrés salino, probablemente debido a la disponibilidad constante de agua y nutrientes, lo que minimiza el gasto energético para su absorción. Consecuentemente, el efecto mitigante de la melatonina no fue estadísticamente significativo en el sistema flotante.

Sin embargo, en el sistema hidropónico basado en sustrato, donde la salinidad causó una inhibición severa del crecimiento, la aplicación de melatonina exógena demostró ser un agente mitigante efectivo. Los autores afirman que las concentraciones de melatonina superiores a 50 µM redujeron con éxito los efectos negativos de la salinidad en las plantas de papaya cultivadas en arena. La hormona parece funcionar protegiendo la estructura de los cloroplastos, manteniendo la actividad fotosintética y estimulando el desarrollo del sistema radicular, mejorando así la capacidad de la planta para hacer frente al estrés osmótico e iónico. La investigación destaca que, si bien la selección del sistema hidropónico es primordial para el manejo de la salinidad, la melatonina sirve como un valioso modulador fisiológico para cultivos en sistemas basados en sustratos bajo condiciones salinas.

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