Tesis Doctorado

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Caracterización fisiológica, productiva y de calidad en arroz negro (Oryza sativa spp. japonica) bajo condiciones hídricas contrastantes
(Universidad de Concepción, 2025) Brunet Loredo, Aloysha Gabrielle; Garriga Caraballo, Miguel
El arroz (Oryza sativa L.) es uno de los cultivos más importantes a nivel mundial y se considera un alimento básico para gran parte de la población. En Chile, su producción se concentra principalmente en las regiones del Maule y Ñuble, donde las condiciones ambientales resultan más favorables. No obstante, el cultivo enfrenta diversas limitaciones, como bajas temperaturas, disponibilidad limitada de agua y suelos de baja fertilidad, lo que limita las opciones de manejo y de rotación para la industria arrocera. El arroz se cultiva tradicionalmente en condiciones de inundación, lo que requiere un elevado volumen de agua para mantener la sostenibilidad y la productividad del cultivo. En los últimos años, los efectos del cambio climático se han intensificado, evidenciándose principalmente en la disminución de la frecuencia y la cantidad de las precipitaciones, lo que ha provocado una creciente escasez hídrica que afecta directamente la producción arrocera. Frente a este escenario, resulta fundamental desarrollar nuevos cultivares capaces de tolerar el déficit hídrico y de utilizar el agua de manera más eficiente, sin comprometer la calidad del grano. El arroz blanco es el más producido y consumido a nivel mundial; sin embargo, dentro de la especie Oryza sativa existen otros tipos de arroz, denominados pigmentados, que presentan tonalidades que van desde el rojo hasta el púrpura oscuro, siendo este último conocido como arroz negro. Originario de Asia, el arroz negro se distingue por su alta concentración de antocianinas en el pericarpio, responsables de su coloración característica. Estudios comparativos entre arroces pigmentados y no pigmentados han evidenciado una mayor tolerancia de los primeros al déficit hídrico. El Programa de Mejoramiento Genético de Arroz (PMGA) del Instituto de Investigaciones Agropecuarias (INIA) de Chile ha concentrado sus esfuerzos en la evaluación de genotipos para determinar su rendimiento en condiciones de cambio climático y en el desarrollo de cultivares adaptados a ambientes variables. Sin embargo, los genotipos de arroz negro solo han sido caracterizados en condiciones de inundación, por lo que aún se desconoce su desempeño frente al estrés hídrico en términos de rasgos agronómicos, productivos y de calidad. En este contexto, el presente estudio evaluó las características agronómicas, fisiológicas, de calidad industrial, nutricional y funcional en líneas avanzadas de arroz negro desarrolladas por el PMGA, cultivadas bajo regímenes hídricos contrastantes. Mediante ensayos multiambiente realizados durante tres temporadas, se evaluaron 19 genotipos de arroz negro y un cultivar de arroz blanco (Zafiro-INIA) utilizado como referencia, bajo dos condiciones de manejo hídrico: inundación tradicional (IND) y riego sin inundación (NI). Se estimaron componentes de varianza, valores genotípicos, heredabilidad e interacción genotipo × ambiente para los distintos rasgos evaluados. El tratamiento NI redujo significativamente la floración, la calidad del grano y el rendimiento. En promedio, los genotipos de arroz negro mostraron un 31 % menos de rendimiento que el cultivar blanco y obtuvieron 2,4 veces más producción bajo condiciones de inundación que bajo riego sin inundación. Se observaron fuertes correlaciones genéticas entre el rendimiento de grano y características como los días a antesis, el peso del grano, así como la blancura y la translucidez del grano, todas ellas con alta heredabilidad en sentido amplio (H² > 0,9). La mayoría de los rasgos evaluados presentaron una heredabilidad elevada (H² > 0,7), lo que indica una alta estabilidad genética. El rendimiento de grano se correlacionó negativamente con el porcentaje de esterilidad de la panícula (r = −0,84) y presentó una heredabilidad de 0,76. A pesar de este alto valor de heredabilidad, las condiciones de cultivo tuvieron un efecto significativo en el rendimiento. Se seleccionaron dos líneas avanzadas de arroz negro (Quila 279101 y Quila 292008), que, junto con el cultivar Zafiro-INIA, fueron evaluadas en dos localidades bajo ambas condiciones hídricas (IND y NI). A los genotipos se les evaluaron diversos rasgos de calidad, incluidos parámetros industriales, nutricionales y funcionales, con énfasis en la composición fenólica y la actividad antioxidante. Los genotipos de arroz negro presentaron altos niveles de contenido fenólico total (TPC), con un promedio de 74,8 mg GAE 100 g⁻¹, y una capacidad antioxidante significativamente superior a la del cultivar de arroz blanco, atribuida principalmente al elevado contenido de cianidina-3- O-glucósido en los granos pigmentados. El perfil fenólico varió entre el grano integral y el grano pulido, mientras que la composición mineral dependió de la localidad y del régimen de riego. Se observó una alta correlación entre el color del grano, el TPC y la actividad antioxidante. La calidad del grano estuvo influida por el ambiente, tanto en sus características industriales como en sus propiedades nutricionales, y se detectaron diferencias significativas entre el grano integral y el pulido. Adicionalmente, se caracterizaron funcionalmente los granos de arroz en términos de digestibilidad, capacidad antioxidante y citotoxicidad. En los granos cocidos de arroz negro se observó una mayor liberación de grupos amino durante todas las fases del proceso de digestión. Entre los péptidos identificados, destacó RA05_ORYSJ por su perfil funcional. No se detectó citotoxicidad del arroz negro en células intestinales Caco-2 ni en células neuronales SH-SY5Y bajo condiciones de estrés oxidativo inducido. Los genotipos de arroz negro redujeron significativamente (>50%) la producción de especies reactivas de oxígeno. Asimismo, el arroz negro disminuyó la actividad de la β-galactosidasa en más de un 65%, lo que sugiere un posible efecto protector frente a la senescencia celular. Estos resultados destacan la importancia de establecer criterios y herramientas de selección basados en la caracterización integral del arroz negro, que permitan orientar el mejoramiento genético hacia la obtención de cultivares resilientes frente a la variabilidad climática, con alto rendimiento y elevado valor nutracéutico, contribuyendo a diversificar y agregar valor al sector arrocero en Chile, mediante la producción de granos con potencial para el desarrollo de alimentos funcionales.
Evaluación agronómica, fisiológica, nutricional y funcional en genotipos de frejol (Phaseolus vulgaris L.) cultivados bajo estrés hídrico terminal en la Región Centro-sur de Chile
(Universidad de Concepción, 2025) Tay Nevez, Kianyon Sanling; Zapata San Martín, Nelson
El frejol (Phaseolus vulgaris L.) es un cultivo estratégico para la seguridad alimentaria y nutricional, tanto a nivel mundial como nacional, debido a su alto valor nutricional, y relevancia socioeconómica en la agricultura familiar campesina. En Chile, su producción está concentrada en el valle central y representa cerca del 50% del consumo nacional, Sin embargo, el cambio climático y la creciente escasez de agua amenazan la sostenibilidad y productividad de este cultivo, particularmente en etapas críticas como la floración y el llenado de vainas. Estas condiciones también pueden afectar negativamente la calidad nutricional y funcional del grano, En este contexto, el presente estudio tuvo como objetivo evaluar rasgos agronómicos, fisiológicos, nutricionales, funcionales y de calidad culinaria en genotipos de frejol bajo condiciones contrastantes de disponibilidad hídrica en Chile. Esta evaluación busca contribuir a la identificación de genotipos superiores que combinen resiliencia al estrés hídrico con atributos nutricionales y calidad, con miras a su incorporación en programas de mejoramiento genético adaptados a escenarios de cambio climático bajo condiciones contrastantes de disponibilidad hídrica en Chile. Se evaluó el desempeño de veinte genotipos de frejol que comprendían líneas avanzadas y cultivares comerciales durante dos temporadas (2021–2022 y 2022–2023) bajo condiciones de riego normal (ND) y sequía terminal (DS). La sequía tuvo un impacto severo en varios componentes del rendimiento, incluyendo el rendimiento de grano (–22,7%), biomasa aérea (–37%), índice de cosecha (–19,5%), número de granos por vaina (–61,3%) y peso de cien granos (–10,1%). Sin embargo, se observó una significativa variabilidad genotípica, destacando los genotipos 452, 473 y 483 por mantener altos rendimientos y un desempeño fisiológico superior bajo condiciones de estrés. Características fisiológicas como el contenido de clorofila y el rendimiento cuántico del fotosistema II (ΦPSII) mostraron fuertes asociaciones con la tolerancia a la sequía y la estabilidad del rendimiento. Estos resultados destacan la importancia de seleccionar rasgos fisiológicos de resiliencia para mejorar el rendimiento bajo sequía terminal, reforzando el potencial de las estrategias de fenotipado integradas en programas de mejoramiento. Los atributos nutricionales, funcional y de calidad culinaria, como cocción, contenido de proteína cruda, capacidad de hidratación, contenido de fenoles totales y actividad antioxidante, mostraron una variación genotípica significativa e interacciones genotipo × ambiente. El tiempo de cocción tendió a incrementarse bajo DS en distintos genotipos, aunque algunos mostraron perfiles estables o incluso mejorados, lo que resalta el potencial de selección en función de sus atributos. El contenido de fenoles y la actividad antioxidante se vieron significativamente afectados por la sequía, aunque ciertos genotipos como Curi y 458 mantuvieron altos valores en ambas condiciones hídricas. Además, se observó una correlación positiva y estadísticamente significativa entre el contenido de fenoles totales y la actividad antioxidante, lo que confirma la contribución funcional de los fenoles en la defensa antioxidante del frejol. Este estudio aporta valiosos conocimientos sobre las respuestas agronómicas, fisiológicas, nutricional, funcionales y calidad culinaria de los genotipos del frejol, permitiendo integrar datos para la identificación de líneas élite con buen rendimiento, tanto en condiciones de riego como bajo estrés hídrico. Estos resultados proporcionan información fundamental para apoyar la selección de genotipos con mayor tolerancia a la sequía y valor nutricional, lo cual contribuirá al desarrollo de cultivares resilientes y funcionales, adaptados a los escenarios agroclimáticos cambiantes en Chile. Asimismo, los genotipos destacados por su desempeño agronómico, fisiológico, nutricional y funcional constituyen una base valiosa de material genético que podrá ser incorporada en el programa de mejoramiento genético nacional, fortaleciendo de esta manera la seguridad alimentaria y la sostenibilidad agrícola frente al cambio climático.
Evaluación de la tolerancia de Brassica oleracea L. var. italica al estrés por microplásticos y factores abióticos mediante parámetros fisiológicos y perfiles de metabolitos.
(Universidad de Concepción, 2025) Illanes Tapia, Marcelo Mario; López Belchí, María Dolores
Esta Tesis Doctoral abordó de manera integrada los efectos de los microplásticos (MPs) sobre la fisiología vegetal y la seguridad de los sistemas agroalimentarios, considerando su interacción con estreses abióticos asociados al cambio climático, tales como el aumento de CO₂ y las altas temperaturas. A partir de una revisión crítica y actualizada de la literatura científica y de un ensayo experimental controlado con brotes de Brassica oleracea L. var. italica (brócoli), se analizaron tanto los riesgos que los MPs representaban para la productividad y calidad de los cultivos, como los mecanismos fisiológicos, enzimáticos y metabolómicos que explicaban sus impactos en las plantas. En el capítulo II se realizó una revisión bibliográfica que evidenció que los microplásticos eran capaces de modificar parámetros esenciales de la fisiología vegetal, afectando la germinación, el desarrollo radicular, la fotosíntesis, la acumulación de metabolitos secundarios y la interacción con microorganismos del suelo. Además, actúaron como vectores de contaminantes inorgánicos y orgánicos persistentes, alterando la expresión génica y generando estrés oxidativo. Los MPs de origen biodegradable (como PLA o PBAT) provocaron respuestas más rápidas e intensas, mientras que los no degradables, como el poliestireno (PS) y el polietileno (PE), tendieron a modificar la estructura del suelo, reducir su porosidad, alterar la retención hídrica y afectar la dinámica microbiana y nutricional a largo plazo. En cultivos del género Brassica, la literatura mostraba una disminución del peso fresco, una reducción de pigmentos fotosintéticos y una acumulación compensatoria de antocianinas y glucosinolatos, lo que reflejaba una reconfiguración del metabolismo secundario hacia rutas defensivas. A su vez, se observó que la presencia de MPs en el suelo incrementó las emisiones de CO₂ debido a la degradación de plásticos biodegradables y a la estimulación de la actividad microbiana heterótrofa, contribuyendo a la retroalimentación del cambio climático. Por lo tanto, los microplásticos no solo son contaminantes emergentes, sino moduladores ambientales que, dependiendo del tipo de polímero y las condiciones edafoclimáticas, pueden amplificar o mitigar las respuestas de estrés en las plantas. Ante este escenario, se propone avanzar en metodologías estandarizadas para la cuantificación de MPs en matrices agrícolas y en la aplicación de tecnologías ómicas y de aprendizaje automático que permitan identificar biomarcadores de exposición y desarrollar modelos predictivos de impacto fisiológico y ecológico. El capítulo III de esta tesis se basó en un diseño factorial (2×2×3) que combinó dos niveles de CO₂ (≈500 y 1000 ppm), dos temperaturas (20 y 28 °C) y tres tipos de polímero (sin plástico, poliestireno y polietileno) en brotes de Brassica oleracea var. italica cultivados bajo condiciones controladas. Se evaluaron parámetros morfológicos, hormonales, enzimáticos y metabolómicos mediante técnicas cromatográficas y análisis multivariados, con el fin de identificar patrones de respuesta y compensaciones entre crecimiento y defensa. Los resultados mostraron que la temperatura fue el factor dominante, regulando las hormonas de crecimiento, la actividad antioxidante y el metabolismo secundario. A 20 °C se observó una mayor acumulación de glucosinolatos, especialmente glucorafanina e indol-3-ilmetilglucosinolato, indicando una activación de rutas defensivas de tipo basal. En contraste, a 28°C no se registró incremento de estos compuestos, pero sí un aumento significativo de antocianinas y derivados sinápicos, junto con una mayor actividad de catalasa y menor biomasa, lo que refleja una reorientación metabólica hacia mecanismos antioxidantes y un claro trade-off entre crecimiento y defensa. El CO₂ elevado actuó como modulador secundario, favoreciendo la biomasa radicular y la síntesis de auxinas, aunque atenuó la acumulación de glucosinolatos. En tanto, el tipo de polímero mostró efectos específicos. El poliestireno promovió una mayor producción de compuestos fenólicos, mientras que el polietileno redujo la expansión radicular y foliar, con respuestas más marcadas en escenarios cálidos. Los análisis multivariados confirmaron la existencia de dos ejes principales de respuesta fisiológica. El primero, que explicó un 46 % de la varianza total, contrapuso metabolitos defensivos (glucosinolatos, antocianinas y sinapatos) frente a hormonas de crecimiento y biomasa, reforzando la hipótesis del equilibrio crecimiento–defensa. El segundo eje, responsable del 23 % de la varianza, separó los compuestos indólicos de los alifáticos, indicando una reorganización del metabolismo secundario en función de la temperatura y la interacción con los MNPs. Las correlaciones entre parámetros revelaron asociaciones positivas significativas entre la actividad catalasa y el contenido de sinapatos (r = 0.78) y antocianinas (r = 0.74), así como una correlación negativa con la biomasa aérea (r = −0.69), lo que confirma el acoplamiento entre defensa antioxidante y producción de metabolitos fenólicos. Complementariamente, los modelos predictivos desarrollados mediante redes neuronales artificiales (ANN) permitieron estimar con alta precisión (R² > 0.9; RMSE < 0.05) las concentraciones de glucosinolatos y hormonas de crecimiento a partir de las condiciones ambientales y del tipo de polímero, demostrando la aplicabilidad del aprendizaje automático en la predicción de respuestas bioquímicas bajo escenarios multiestrés. Lo que observamos en este estudio fue que los micro/nanoplásticos actuaron como moduladores, capaces de amplificar o reconfigurar las respuestas fisiológicas inducidas por la temperatura y el CO₂, más que como agentes tóxicos directos. Estos resultados resaltan la importancia de adoptar enfoques multiestrés y de integrar herramientas de metabolómica y modelamiento predictivo para comprender cómo los contaminantes emergentes afectan la resiliencia y la calidad de los cultivos en un contexto de cambio climático. Desde una perspectiva aplicada, esta tesis aporta un marco experimental y conceptual para el estudio de contaminantes emergentes en agroecosistemas, incorporando herramientas de metabolómica avanzada y modelamiento predictivo como apoyo a la toma de decisiones en agricultura sostenible.

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