Granulación: El camino de las hojas a los frutos

Introducción

El ciclo del café arábica adulto se divide en seis fases fenológicas, entre ellas, la granulación.

La granulación suele ocurrir de enero a marzo y comprende la fase donde se solidifican los líquidos internos de los frutos (Camargo & Camargo, 2001), con el llenado del endospermo y la formación de los granos (popularmente conocido como “relleno de granos”).
Aunque los frutos son verdes, tienen estomas y representan del 20 al 30% de la superficie fotosintética total (Cannell, 1985), ellos no producen suficientes azúcares para su crecimiento y desarrollo, es decir, son órganos drenantes (importadores).

Se estima que los frutos producen alrededor del 30% de sus demandas diarias (para la respiración) y aportan alrededor del 12% de sus necesidades totales de carbono en la etapa de llenado del endosperma (Vaast et al., 2005). Así, como los frutos son los drenajes preferidos de fotosintatos durante el periodo reproductivo (Rena & Maestri, 1985), ellos dependen del suministro de azúcares, aminoácidos y algunos nutrientes por parte de las hojas fuente (hojas maduras y exportadoras).

Las hojas maduras son órganos especializados en la fotosíntesis y hasta un 80% del carbono fijado en este proceso puede ser exportado por ellas (Lemoine et al., 2013). Sin embargo, las hojas y los frutos están interconectados por el floema. Por lo tanto, el flujo de azúcares, aminoácidos y nutrientes de las hojas de origen a los frutos dependen del proceso de carga, translocación y descarga del floema, lo que influye directamente en el componente de productividad “peso de los granos por fruto”.

En el café, la sacarosa es el principal azúcar translocado en el floema (Franck et al., 2006; Geromel et al., 2008).
La sacarosa es un producto de la fotosíntesis, como se ilustra en la Figura 01. Además, la glutamina, el glutamato, el aspartato y la asparagina son los aminoácidos más translocados en general (Tegeder & Rentsch, 2010). También hay translocación de algunos nutrientes en el floema que, según sus funciones fisiológicas, se clasifican en: móviles (nitrógeno, fósforo, potasio y magnesio), moderadamente móviles (azufre, cloro, molibdeno y zinc), poco móviles (cobre, hierro y manganeso) y casi inmóviles (calcio y boro).

Carga del floema*

* texto adaptado de Lemoine et al. (2013)
A partir de la fotosíntesis, los azúcares pueden almacenarse en la vacuola, convertirse en almidón o sacarosa (Figura 2). La porción convertida en sacarosa pasa de célula a célula a través de canales encargados de conectar las células vecinas (plasmodesmos) hasta llegar a las células del parénquima del floema.
Importante: A diferencia del xilema, el floema es un tejido vascular compuesto de células vivas, llamadas elementos de tubo de tamiz. Sin embargo, los elementos del tubo de tamiz carecen de núcleo y dependen de una célula compañera para mantenerse con vida.

Figura 1. Resumen esquemático de la interacción entre fotosíntesis, carga y descarga del floema.

1) La luz azul y roja son absorbidas por las clorofilas a y b y permiten la aparición de la cadena de transporte de electrones en los cloroplastos, oxidando el H2O y produciendo O2, ATP y NADPH. 2) Debido al potencial hídrico adecuado, la transpiración y el intercambio de gases se producen a través de los estomas abiertos, donde hay una salida de los gases H2O y O2 además de la entrada de CO2. 3) A partir de la disponibilidad de CO2, ATP y NADPH se sintetizan triosas (azúcares de 3 carbonos) como resultado del ciclo de Calvin (en cloroplastos). Las triosas se unen a la formación de sacarosa (azúcar de 12 carbonos). 4) La sacarosa es el principal azúcar cargado en el floema, generando una alta diferencia de concentración entre la fuente y el drenaje. 5) La sacarosa se transporta en el floema en forma presurizada al drenaje, donde se produce la descarga del floema. En esta etapa, la sacarosa se puede descomponer enzimáticamente en hexosas (glucosa + fructosa), hay absorción, la fuente de carbono se puede almacenar o respirar para promover el crecimiento y el desarrollo de la fruta.

Luego, la sacarosa se transporta fuera de la célula del parénquima del floema a través de los transportadores. Por lo tanto, la sacarosa se encuentra en el “espacio extracelular” entre las células del parénquima del floema y las células compañeras (apoplasto). Posteriormente, la sacarosa es absorbida y acumulada en la celda compañera por un transportador simportador (H+ / sacarosa).

La energía necesaria para el transporte es proporcionada por bombas de H+ que, a partir de la ruptura del ATP, forman un gradiente de H+ y establecen una diferencia de potencial electroquímico transmembrana. Finalmente, los plasmodesmos permiten el paso de la sacarosa de las células compañeras a los elementos del tubo tamiz (Figura 2).

Un esquema similar también ocurre con la carga de aminoácidos (ver más en Tegeder, 2014).

Translocación en el floema

La translocación de materiales en el floema se explica por la teoría del flujo de masa, propuesta por el investigador alemán Ernst Münch en 1930. Esta teoría considera que los movimientos se deben a la existencia de un gradiente de concentración de sacarosa (u otro azúcar), establecido entre un órgano fuente y un órgano de drenaje. La acumulación de sacarosa en las celdas del elemento del tubo tamiz permite el paso de agua desde el xilema (mayor potencial hídrico) hasta el floema (menor potencial hídrico). En general, se estima que la concentración de sacarosa en el floema es de alrededor de 12 a 120 mg ml-1 de volumen de floema (Kerbauy, 2004). Así, se genera una alta presión hidrostática en los elementos del tubo tamiz (Figura 3). Los valores de las tasas de transferencia de masa pueden variar entre 1 y 15 g h-1 cm-2 de elementos de tamiz (Taiz et al., 2017). Aunque la sacarosa es el principal agente en la formación del gradiente osmótico a lo largo del floema, la acumulación de K+ en el floema puede contribuir a este proceso (Pimentel, 1998).

Figura 2. Carga del floema. La sacarosa se produce como resultado de la fotosíntesis en las células del mesófilo, después de moverse a través de los plasmodesmos a las células del parénquima del floema. Los transportadores llevan la sacarosa al apoplasto. H+ se bombea al apoplasto desde las bombas de H+ presentes en la membrana de celula compañera. Este proceso requiere de energía proporcionada por ATP, en una reacción mediada por Mg.

La sacarosa entra en la célula compañera a través de un transportador simportador de H+ / sacarosa. Los transportadores dependen de la diferencia de potencial electroquímico de H+ entre el lado externo e interno de la membrana de las células compañeras. Los canales K+ son capaces de regular esa diferencia de potencial. La sacarosa se mueve a través de los plasmodesmos desde las células compañeras hasta los elementos del tubo de tamiz, elevando la concentración de la sacarosa en estas células. La alta concentración de sacarosa en el floema (menor potencial hídrico) atrae agua del xilema (mayor potencial hídrico), esa entrada de agua genera una presión hidrostática en el floema y permite el movimiento de sacarosa, aminoácidos y nutrientes desde el medio más concentrado (cerca de la fuente) al menos concentrado (cerca del drenaje).

Figura 3. Visualización de la exudación de savia del floema en la calabaza (ilustración de presión hidrostática). Es posible verificar la exudación de la savia del floema en las plantas de calabaza haciendo un corte en el pecíolo. La calabaza tiene un sistema de carga de floema diferente al propuesto para el café, sin embargo, también tiene el mismo principio de translocación: la diferencia en el gradiente de azúcar y la presión hidrostática. En la calabaza, el principal azúcar que se encuentra en el floema es la estaquiosa cargada a través del simplasto. Para obtener más informaciones, sugerimos el trabajo de Zhang et al. (2012). Foto: Lucas de Ávila Silva.

El transporte de azúcar y su papel en la productividad y calidad del café

Mucho se discute en el campo sobre la importancia de la granulación para mejorar el componente de productividad ‘peso de granos por fruta’. Sin embargo, además del relleno, es importante recordar que los azúcares junto con los aminoácidos y nutrientes importados de las hojas por los frutos a través del floema también son la materia prima de todos los componentes relacionados con la calidad. Las mejores bebidas provienen de frutas con mayor contenido de sólidos solubles totales (Amorim, 1972).

La sacarosa es uno de los compuestos crudos del grano de café que se ha considerado un importante precursor del sabor y aroma del café, formando anhidros azúcares y glioxal durante el tostado, por ejemplo (De Maria et al., 2014). Estos metabolitos son capaces de reaccionar con los aminoácidos y formar compuestos volátiles y no volátiles esenciales para el sabor del café (Grosch, 2001; Homma, 2001). El contenido de sacarosa en los granos verdes de café Arábica verde puede variar de 3,8% a 11,1% de la materia seca (Ky et al., 2001; Campa et al., 2004), y por lo tanto es un determinante directo e indirecto de la calidad de la bebida.

Granulación: perspectivas sobre la genética y la nutrición del café

La capacidad del drenaje para movilizar fotosintatos (intensidad del drenaje) depende de dos factores: la biomasa total del drenaje (tamaño del drenaje) y la tasa de absorción de fotosintatos por unidad de biomasa del drenaje (actividad del drenaje) (Taiz et al., 2017). Se sabe que el fruto es el drenaje preferencial del café, sin embargo, los esfuerzos genéticos y nutricionales pueden mejorar la productividad y la calidad final de los frutos.

Un ejemplo de éxito es el aumento del grado Brix del tomate, donde los investigadores pudieron identificar un gen relacionado con la actividad de la enzima invertasa en el apoplasto (descarga del floema) con el fin de aumentar la concentración de azúcares del tomate, mejorando su calidad (mejor descrito en Omena-Garcia et al., 2019).

Con relación a la nutrición vegetal, se abordó anteriormente el papel protagonista del K y Mg en la granulación. Además de estos, es importante resaltar el papel del N y P (Figura 4). La deficiencia de N y P conduce a una fotosíntesis reducida, acumulación de carbohidratos en las hojas fuente, mayor asignación de carbono en las raíces y mayor relación raíz /brote (Lemoine et al., 2013), por lo tanto, favorece el drenaje del ’sistema radicular’. Además, la dosis de N que permite una mayor productividad es la que está relacionada con el suministro equilibrado de sacarosa entre el drenaje vegetativo y reproductivo, y el exceso de N puede favorecer el drenaje vegetativo (formación de hojas / ramas jóvenes) (de Ávila Silva et al., 2019). La deficiencia de Ca también puede conducir a una menor translocación de azúcares en el floema (Gossett et al., 1977).

Figura 4. Patrón de acumulación de azúcares y partición de la parte aérea/raíz. La deficiencia de K y Mg conduce a la acumulación de sacarosa (azúcar soluble) en las hojas fuente, con menos exportación de sacarosa a los drenajes. En este caso, la parte aérea suele ser proporcionalmente más grande que el sistema radicular. Por otro lado, la deficiencia de N y P conduce a la acumulación de almidón (azúcar insoluble), manteniendo la exportación de sacarosa a los drenajes. En este caso, el brote suele ser proporcionalmente más pequeño que el sistema radicular. Aunque cambian la translocación del floema, no es común ver cambios en la relación aérea/raíz con la deficiencia de Ca, Zn y B.

Entre los micronutrientes, aparentemente Zn y B son los más relacionados con los cambios de fuente y drenaje. En plantas deficientes en Zn, el crecimiento y la actividad del meristemo apical (drenaje vegetativo) disminuye fuertemente (Cakmak et al., 1989), además, los carbohidratos se acumulan en las hojas fuente (Marchner & Cakmak, 1989). En plantas deficientes en B, la translocación disminuye drásticamente, en algunas especies este efecto puede estar relacionado con la deposición de callosa en las placas de tamiz, pero en otras no (Van de Venter & Currier, 1977).

Por lo tanto, la granulación del café es una etapa fundamental para la productividad y la calidad de la bebida. La selección de rasgos fisiológicos en los programas de mejoramiento relacionados con la descarga de azúcares en la fruta puede mejorar su calidad. Al mismo tiempo, la nutrición mineral del café puede interferir con el proceso de granulación, donde los nutrientes K, Mg, N, P, Ca, Zn y B actúan directamente. Existe una gran expectativa de que las investigaciones futuras puedan mejorar nuestra comprensión y perfeccionar el proceso de granulación del café.

Finalmente, es importante tener en cuenta que todavía hay acumulación de masa en la fruta después del período de granulación (Figura 5).