El cambio climático global está expandiendo potencialmente la geografía del cultivo de cítricos hacia el norte, pero también está provocando extremos de frío más frecuentes, lo que resalta la necesidad de estudiar la tolerancia al frío de los cítricos para apoyar el mejoramiento. Se ha descubierto en China un mutante espontáneo de mandarina tolerante al frío.
En un artículo de investigadores de la Universidad Agrícola de Hunan y del Centro de Innovación en Horticultura Varietal, quienes, junto con colegas de la Universidad Estatal de Carolina del Norte, estudiaron un mutante de mandarina resistente al frío.
¿Qué frutas cítricas son las más resistentes al frío?
Los cítricos son un importante cultivo frutal ampliamente cultivado en todo el mundo. A pesar de su extenso cultivo, los fenómenos meteorológicos extremos y el estrés periódico por bajas temperaturas causado por las heladas afectan significativamente su crecimiento y desarrollo, limitando su distribución regional y su producción segura, y representando una grave amenaza para la industria citrícola. Además, existe un creciente interés en el cultivo de cítricos en regiones no tradicionales.
En cuanto a las heladas, por ejemplo, en la década de 1980, Florida sufrió una grave helada que afectó gravemente al 30% de la industria citrícola estatal, provocando la quiebra de algunas explotaciones agrícolas que llevaban generaciones en activo. Una ola de frío en 1990 causó pérdidas estimadas en 500 millones de dólares estadounidenses a la industria citrícola de California, afectando a unas 450.000 hectáreas de cítricos. La helada de 2010 causó pérdidas por 142 millones de euros a la industria citrícola de Valencia (España). La helada en el sur de China en 2018 también causó enormes pérdidas económicas a la industria citrícola. Hasta la fecha, el problema de los daños causados por las heladas a los cítricos en todo el mundo sigue sin resolverse.
La selección por mutación espontánea de yemas es un método importante para el desarrollo de nuevas variedades de cítricos. Aproximadamente el 60 % de las variedades del mundo se obtienen de esta manera.
Una mutación espontánea es un cambio repentino y hereditario en el fenotipo de un organismo que no se produce por segregación ni recombinación. En las especies con yemas, se trata de brotes laterales, inflorescencias o flores/frutos individuales que difieren en fenotipo del resto de la planta. Aunque las mutaciones espontáneas son poco frecuentes, suelen aportar nuevas características útiles, manteniendo las características deseadas de la planta progenitora.
Los mutantes de brote se consideran generalmente clones de una variedad base que difieren únicamente en uno o unos pocos alelos de variantes mutantes. Estas mutaciones causan modificaciones fenotípicas, como cambios en el color o la forma del fruto, el tamaño y la forma del árbol, la tendencia a la ramificación, la época de maduración y el sabor del fruto, etc. Los mutantes espontáneos de importancia hortícola se han utilizado desde los inicios de la domesticación de plantas.
Según estudios previos sobre cítricos, la mandarina es la variedad más tolerante al frío, seguida de la naranja dulce y el pomelo, mientras que el limón y la lima son las menos tolerantes al frío.
La mandarina Satsuma ( C. unshiu ) es la variedad comercial más tolerante al frío. Por lo tanto, el desarrollo de variedades tolerantes al frío a partir de variedades existentes relativamente tolerantes al frío y la evaluación sistemática del nivel de tolerancia al frío de las nuevas variedades se han convertido en estrategias eficaces para abordar el problema global de las heladas en los cítricos.
¿Qué hace que los cítricos sean resistentes al frío?
La anatomía foliar es un parámetro crucial para evaluar la tolerancia al frío de las plantas. Investigaciones han demostrado que las variedades tolerantes al frío tienden a presentar tejidos en empalizada más estratificados y densos.
La proporción de tejido en empalizada a tejido esponjoso tiende a mantenerse relativamente estable, y tanto esta proporción como la compacidad o laxitud de la estructura tisular conforman un sistema de índices multidimensional para evaluar la resistencia a las heladas. La proporción de tejido en empalizada a tejido esponjoso y la compacidad tisular se correlacionan positivamente con la resistencia a las heladas de la planta, mientras que la laxitud tisular se correlaciona negativamente con la resistencia al frío.
Fisiológicamente, las plantas emplean mecanismos de defensa antioxidantes para mitigar el estrés oxidativo y mantener la homeostasis redox en condiciones ambientales adversas. Las enzimas antioxidantes clave que participan en esta defensa incluyen la superóxido dismutasa (SOD), la peroxidasa (POD) y la catalasa (CAT).
Paralelamente, la integridad de la membrana celular, una importante barrera contra el estrés ambiental, es crucial para la tolerancia de las plantas al frío. En condiciones de frío extremo, la fluidez de la membrana cambia de un estado líquido cristalino a uno gelatinoso, lo que provoca desequilibrios electrolíticos que, en última instancia, provocan alteraciones metabólicas e incluso la muerte celular.
Por lo tanto, los investigadores suelen utilizar la fuga de electrolitos, medida mediante la conductividad relativa, como un indicador fiable de la tolerancia de las plantas a la congelación. La conductividad se correlaciona positivamente con el grado de daño a la membrana protoplásmica. Además de los cambios físicos en la membrana, el estrés por bajas temperaturas también causa alteraciones bioquímicas a nivel molecular.
En particular, el estrés por frío estimula la producción de radicales libres y aumenta la peroxidación lipídica de la membrana. El malondialdehído (MDA), producto final de la peroxidación lipídica, sirve como indicador clave de la gravedad del estrés por frío: a mayor nivel de MDA, menor tolerancia al frío.
Las especies reactivas de oxígeno (ROS) desempeñan un doble papel en la adaptación de las plantas al estrés, actuando como agentes dañinos y moléculas de señalización importantes que interactúan con diversas vías reguladoras.
En respuesta al frío extremo, las células vegetales han desarrollado estrategias de defensa complejas y coordinadas. La osmorregulación desempeña un papel fundamental en este proceso, mejorando la adaptación al frío al promover la acumulación de proteínas solubles, azúcares y prolina. Estos compuestos aumentan el potencial osmótico citosólico y reducen el punto de congelación, inhibiendo así la formación de cristales de hielo intracelulares letales. Esta estrategia de defensa multifacética y multicanal refleja la complejidad y eficacia de los mecanismos antiestrés desarrollados a lo largo de la larga evolución de las plantas.
Los estudios a nivel molecular han proporcionado información valiosa sobre los mecanismos de tolerancia al frío en las plantas. Como rasgo cuantitativo acumulativo, la tolerancia al frío involucra dos categorías de genes clave: reguladores y protectores. Los genes reguladores intervienen en la regulación de la señalización y la transcripción, mientras que los genes protectores participan en la protección de la planta contra el estrés por frío.
La activación de los genes de defensa promueve la síntesis de diversas sustancias de defensa, incluyendo enzimas antioxidantes (p. ej., superóxido dismutasa y peroxidasa) y compuestos osmorreguladores (p. ej., prolina y proteínas solubles). Estos componentes actúan sinérgicamente para estabilizar las membranas celulares y reducir el daño oxidativo, aumentando así la tolerancia de las plantas al frío.
Cómo se encontró un mutante mandarín resistente al frío
Entre finales de 2018 y principios de 2019, las temperaturas extremadamente frías dañaron gravemente los mandarinos de Miyagawa, de los cuales el equipo de investigación recuperó mutaciones de yemas tolerantes al frío. Si bien estudios previos han investigado la tolerancia al frío en cítricos, pocos han proporcionado un análisis exhaustivo y multinivel que integre los fenotipos de tolerancia al frío, las características anatómicas, las respuestas fisiológicas y bioquímicas, y la expresión del gen de defensa Cor8 en mutantes de yemas naturales.
Este estudio es el primero en caracterizar sistemáticamente un mutante tolerante al frío del mandarino ‘Miyagawa’ utilizando este enfoque integrado, proporcionando nuevos conocimientos sobre los mecanismos subyacentes a la mayor tolerancia al frío y ofreciendo germoplasma valioso para los programas de mejoramiento.
La provincia de Hunan experimentó condiciones climáticas extremadamente frías desde finales de 2018 hasta principios de 2019. En los distritos de Xiuping y Jiashan del condado de Shimen, ciudad de Changde, las temperaturas mínimas cayeron a -8,6 °C y -9,6 °C, respectivamente.
En referencia a la «Guía completa sobre tecnología de cultivo de cítricos en China» de Shen Zhaomin, se evaluó el área de estudio para detectar daños por heladas, lo que confirmó que los árboles de cítricos en el área habían sufrido heladas de etapa III.
Incluso ramas grandes de árboles maduros de muchos años resultaron dañadas por las heladas. El 1 de abril de 2019, durante una inspección de huertos de Miyagawa gravemente dañados por las heladas, se encontraron algunas ramas supervivientes que mantenían un crecimiento vigoroso sin perder hojas y sin mostrar signos evidentes de daños por heladas. En cambio, otras ramas de los mismos árboles, así como de otros mandarinos del mismo huerto, mostraron graves daños por heladas. Se cree que estas ramas supervivientes son posibles mutaciones de yemas resistentes al frío.
En la primavera de 2019, se injertaron ramas mutantes y silvestres de Miyagawa en árboles Poncirus de 3 años de la variedad «Dahong Cheng» en maceta. En la primavera de 2023, se recolectaron ramas mutantes y silvestres de estos árboles injertados y posteriormente se injertaron en plántulas de mandarina trifoliada de 1 año en contenedor para ampliar la población experimental. Todas las plantas se cultivaron al aire libre y se mantuvieron bajo procedimientos estándar de fertilización, riego y control de plagas.
Después de la hibernación natural, se seleccionaron como muestras experimentales tres plantas en maceta del tipo silvestre y del mutante Miyagawa con un vigor de crecimiento comparable y se sometieron a estrés por frío en una cámara de crecimiento artificial.
Inicialmente, la temperatura de la incubadora se fijó en 20 °C, con un fotoperiodo de 16 h/8 h (luz/oscuridad). Se aplicó un protocolo de enfriamiento escalonado: la temperatura se redujo primero a 4 °C a una velocidad de 2 °C por 24 h y se mantuvo durante 7 días, seguido de una reducción adicional a −6 °C a una velocidad de 3 °C por 24 h. Se recogieron muestras de hojas después de 0, 2, 4, 6, 8 y 10 h de exposición a −6 °C. Para cada punto de tiempo, se seleccionaron hojas de primavera sanas (libres de plagas y enfermedades), se congelaron instantáneamente en nitrógeno líquido y se almacenaron a −80 °C para la posterior determinación del índice fisiológico. Simultáneamente, se fotografiaron hojas de primavera de las mismas posiciones en plantas de tipo silvestre y mutantes en cada punto de tiempo (0, 2, 4, 6, 8 y 10 h a −6 °C) para documentar visualmente la respuesta al estrés por frío.
Después del tratamiento a baja temperatura, se recogieron de 3 a 5 hojas primaverales de igual tamaño de la base de cada planta y se analizaron.
El mutante mostró una conductancia relativa un 50% menor y un contenido de malondialdehído (MDA) bajo estrés de -6 °C en comparación con el tipo silvestre, lo que indica un daño reducido a la membrana. Las actividades de las enzimas antioxidantes fueron significativamente mayores en el mutante: la actividad de la superóxido dismutasa (SOD) aumentó entre un 10% y un 30%, la de la peroxidasa (POD) un 28% y la de la catalasa (CAT) hasta el doble. El contenido de prolina fue un 57% mayor en el mutante en los niveles máximos, lo que favorece una regulación osmótica más fuerte. Además, la expresión del gen de defensa Cor8 en el mutante fue 2,98 veces mayor que en el tipo silvestre durante la hibernación natural. Estos resultados confirman que el mutante de mandarina Miyagawa tiene claras ventajas fisiológicas, anatómicas y moleculares para la adaptación a bajas temperaturas y proporciona germoplasma valioso para el desarrollo de cultivares de cítricos tolerantes al frío.
Basado en el artículo de un grupo de autores (Shuangyu Wang, Yingqi Zhang, Ben Zhang, Weiqi Luo, Xiang Liu, Suming Dai, Dazhi Li, Na Li), publicado en la revista Agronomy 2025 en el portal www.mdpi.com.
doi.org/10.3390/agronomía15071570
