mancilla 2006
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CENTRO DE INVESTIGACIN Y ESTUDIOS AVANZADOS
DEL INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL
UNIDAD DE BIOTECNOLOGA E INGENIERA GENTICA DE PLANTAS
DEPARTAMENTO DE BIOTECNOLOGA Y BIOQUMICA
CAMPUS GUANAJUATO
Caracterizacin molecular de fructanos enAgavey Dasylirion spp.,
identificacin de fructosiltransferasas y su expresin en Pichia pastoris
T E S I S
QUE PRESENTA
M.C. Norma Alejandra Mancilla Margalli
COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENER EL GRADO DE
DOCTOR EN CIENCIAS
EN LA ESPECIALIDAD DE BIOTECNOLOGA DE PLANTAS
Irapuato, Guanajuato, Mxico, 2006
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Este trabajo titulado Caracterizacin molecular de fructanos en Agave y Dasylirion spp.,
identificacin de fructosiltransferasas y su expresin en Pichia pastorisfue realizado en el
Laboratorio de Qumica de Productos Naturales del Departamento de Biotecnologa y Bioqumica
del Centro de Investigacin y de Estudios Avanzados Campus Guanajuato, bajo la asesora de la
Dra. Mercedes G. Lpez.
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AGRADECIMIENTOS
A la Dra. Mercedes G. Lpez, por su asesora, por e y especialmente por su inmensurable apoyo
(cientfico, moral y econmico). Oportuno que dirigi el
A los sinodales Dr. Luis E. Gonzlez de la Vara, Dr. John Paul Dlano F, Dra. Ana Paulina Barba
de la Rosa y Dr. Edgar Quero Gutirrez, por sus valiosas aportaciones que enriquecieron el
presente trabajo.
Al CONACyT, por apostarle a la ciencia y ayudar econmicamente a estudiantes que desean un
Mxico competitivo.
A todo el personal del Cinvestav-Guanajuato, al rea administrativa (Dora Elia Anguiano), de
intendencia (Daniel y Bertha) y de biblioteca (Mary Carmen Ruz) por su trato amable y su trabajo
siempre oportuno y eficiente.
Al Prof. Sjef Smeekens, de la Universidad de Utrecht, Holanda, por brindarme amablemente la
oportunidad de explorar en su laboratorio un campo cientfico nuevo para m.
A Tita Ritsema por sus finas atenciones y la paciencia con la que comparti y dirigi parte de este
trabajo.
Al Gobierno de los Pases Bajos por el otorgamiento de la Beca Huygens que me permiti realizar
una estancia doctoral en la Universidad de Utrecht.
Al CONACyT por el otorgamiento de una beca mixta, que sin lugar a dudas, fue de bastante
provecho para la calidad de la presente investigacin.
A la Dra. Petra Mischnick de la Universidad Tcnica de Braunschweig, Alemania, por su apoyo y
asesora en la qumica de carbohidratos.
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A la Dra. Ana Paulina Barba de la Rosa del Instituto Potosino de Investigaciones Cientficas y
Tecnolgicas, por la oportunidad de hacer mil intentos en su laboratorio.
A mis amigos del laboratorio: Lul Macas, Blanca Aguilar, Mara Luisa Martnez, Tere Carrillo,
Isadora Jimnez, Octavio Carrillo, Claudia y Judith Urias, por su apoyo y entusiasmo contagiante.
A Tita Ritsema, Auke Verhaar, Fatima Rahmani, Anja van Dijken, Marcel Proveniers, Jolanda
Schuurmas, Anika Wiese, Henriette Schluepmann y Bas Dekkers, por su hospitalidad, por
mostrarme las maravillas de su pas y por hacerme sentir como en casa en un lugar con una
cultura diferente
A mis cubanos Lzaro Hernndez, Yanetsi Borroto, Yanet Tambara, Jos Angel y Rolando, porquesu hermandad y cario me han servido de soporte.
A mis amigos de siempre Lorena, Jimmy, Isis, Pedro y Lul, por su longeva amistad.
A mis paps, Jos Trinidad y Norma Ofelia, por su gran cario y apoyo incondicional.
A mis hermanos, Popo, Pity, Betito y Kiko, por toda la vida recorrida.
A mi esposo, Juan, por todo su amor y por los momentos compartidos.
A mis abuelitos, tos y primos.
A la pequea Ana y Caellou, por llenar de alegra nuestras vidas.
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NDICE
PginaI. RESUMEN 1II. INTRODUCCIN 2
III.
OBJETIVOS 5IV. ANTECEDENTESAGAVES Y DASYLIRION1.1. Clasificacin taxonmica 61.1.1.Agavaceae 71.1.2. Nolinaceae 81.2. Distribucin 101.3. Descripcin de los gneros y caractersticas delimitantes de las familias
Agavaceae y Nolinaceae 131.3.1. Agave 141.3.1.1.Agave tequilanaWeber var. azul 15
1.3.1.2.Agave angustifoliaHaworth 151.3.1.3.Agave potatorumZuccarini 161.3.1.4.Agave cantala 161.3.1.5.Agave fourcroydes 161.3.2. Dasylirion 171.4. Importancia econmica y cientfica1.4.1. Usos tradicionales 181.4.2. Usos ornamentales 181.4.3. Obtencin de fibras naturales 181.4.4. Obtencin y caracterizacin de fitoqumicos 191.4.5. Elaboracin de bebidas alcohlicas 191.4.5.1. Bebidas fermentadas 201.4.5.2. Bebidas destiladas 201.4.6. Elaboracin de edulcorantes fructosados 221.4.7. Utilizacin del bagazo 221.4.8. Propagacin in vitro 241.5. Influencia de la zona geogrfica en los agaves 251.6. Adaptacin de los agaves 291.6.1. Adaptacin morfolgica 301.6.1. 1. Hojas 301.6.1.2. Races 311.6.1.3. Tallo 331.6.2. Adaptacin fisiolgica 331.6.2.1. Metabolismo cido de las crassulaceas (CAM) 331.6.2.2. Bioqumica del metabolismo cido de las crassulaceas (CAM) 341.6.2.3. Acumulacin de fructanos 39FRUCTANOS2.1. Estructura 402.1.1. Mtodos analticos 432.1.2. Especificidad estructural 442.2. Metabolismo 45
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2.2.1. Complejidad metablica 502.2.2. Caracterizacin bioqumica 502.2.3. Caracterizacin molecular 552.2.4. Familia GH32 572.3. Fisiologa de los fructanos 60
2.3.1. Carbohidratos de reserva 602.3.2. Desarrollo vegetal 602.3.3. Defoliacin 622.3.4. Descarga apoplstica 642.3.5. Ajuste osmtico 642.3.6. Tolerancia al fro 642.3.7. Tolerancia a sequa 672.3.8. Defensa contra patgenos 692.4. Potencial biotecnolgico de los fructanos 71
V. JUSTIFICACIN 73VI. HIPTESIS 73
VII.
MATERIALES Y MTODOS 74A) Material Biolgico1. Regiones 742. Edad 743. Muestreo 74B) Metodologa1. Comparacin y caracterizacin estructural de carbohidratos de almacn enagaves y dasylirion1.1.Determinacin espectrofotomtrica1.1.1. Extraccin de carbohidratos totales 771.1.2. Determinacin de carbohidratos totales 771.1.3. Determinacin de D-glucosa, D-fructosa y sacarosa 771.1.4. Determinacin de fructanos 791.1.5. Determinacin de almidn 811.2. Extraccin de fructanos 821.3. Caracterizacin de fructanos1.3.1. Cromatografa en capa fina 821.3.2. Cromatografa lquida de alta resolucin 831.3.3. Derivatizacin de fructanos a alditol acetatos parcialmente metilados 841.4. Caracterizacin de fructanos deAgave tequilana 881.4.1. Espectrometra de masas por ionizacin/desorcin por lser asistida por
una matriz-tiempo de vuelo (MALDI-TOF-MS) 881.4.2. Resonancia magntica nuclear de carbono 13 881.4.3. Resonancia magntica nuclear de protn 892. Identificacin de actividades enzimticas involucradas en el metabolismo de
fructanos2.1. Extraccin de protenas 892.2. Estrategias de purificacin 892.2.1. Cromatografa de afinidad 902.2.2. Cromatografa de intercambio aninico 90
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2.2.3. Cromatografa de hidroxiapatita 912.2.4. Cromatografa de exclusin en gel 912.3. Cuantificacin de protenas 922.4. Ensayos enzimticos 922.5. Separacin electrofortica 92
3. Identificacin y aislamiento de secuencias codificantes de enzimas delmetabolismo de fructanos de agave y su expresin en Pichia pastoris3.1. Aislamiento e identificacin de secuencias codificantes3.1.1. Extraccin de cido ribonucleico (ARN) 933.1.2. Geles de agarosa 943.1.3. Electroforesis en microchip 943.2. Obtencin de secuencias complementarias por transcripcin reversa 953.2.1. Diseo de oligonucletidos iniciadores 953.2.2. Amplificacin de secuencias complementarias 953.2.3. Elucin y purificacin de cido desoxiribonucleico (ADN) a partir
de bandas de agarosa 97
3.2.4. Preparacin de clulas competentes 973.2.5. Clonacin y transformacin 993.2.6. Purificacin de plsmidos 993.2.7. Confirmacin de la secuencia en el plsmido 1013.2.8. Identificacin de las secuencias 1013.3. Aislamiento de ADNc completo de la secuencia 1013.3.1. Amplificacin rpida del extremo 5 del ADN complementario (5-RACE) 1023.3.2. Amplificacin rpida del extremo 3 del ADN complementario (3-RACE) 1043.3.3. Ligacin y clonacin del ADNc completo 1043.4. Expresin en Pichia pastoris 1043.4.1. Eliminacin del pptido seal y secuencia de terminacin 1063.4.2. Propagacin del vector 1063.4.3. Transformacin de Pichia pastorisy anlisis de expresin 107
VIII. RESULTADOS1. Comparacin y caracterizacin estructural de carbohidratos de almacn en agavesy dasylirion1.1. Patrn de carbohidratos no estructurales 1081.2. Factores ontognicos 1091.3. Influencia del ambiente en el patrn de carbohidratos no estructurales 1101.4. Funcin de los fructanos en la sequa 1131.5. Presencia de almidn 1141.6. Perfil cromatogrfico de fructanos1.6.1. Cromatografa en capa fina 1161.6.2. Cromatografa lquida de alta resolucin 1181.7. Anlisis de enlaces por derivatizacin 1211.7.1. Cuantificacin de los glicosil-derivados 1261.7.2. Significancia de la diversidad estructural de fructanos 1291.8. Caracterizacin de fructanos deA. tequilana 1301.8.1. Espectrometra de masas por ionizacin/desorcin por lser asistida por
una matriz-tiempo de vuelo (MALDI-TOF-MS) 1301.8.2. Resonancia magntica nuclear de carbono 13 130
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1.8.3. Resonancia magntica nuclear de protn 1351.9. Estructuras propuestas para fructanos enAgavey Dasylirion 1381.10. Posibles implicaciones de la presencia de fructanos en agaves y dasylirion 139
2. Identificacin de actividades metablicas involucradas en el metabolismo defructanos de agave y dasylirion
2.1. Estrategia Cromatogrfica I 1412.1.1. Cromatografa de afinidad 1412.1.2. Cromatografa de intercambio aninico 1432.1.3. Cromatografa de hidroxiapatita 1452.1.4. Cromatografa de exclusin en gel 1482.1.5. Identificacin putativa de enzimas involucradas en el metabolismo de fructanos 1492.2. Estrategia Cromatogrfica II 1512.2.1. Extracto crudo 1512.2.2. Cromatografa de intercambio aninico 1552.2.3. Cromatografa de afinidad 1602.2.4. Actividades fructosiltransferasas identificadas en agaves y dasylirion 161
3. Aislamiento e identificacin de secuencias codificantes de enzimas del metabolismode fructanos de agave y su expresin en Pichia pastoris3.1. Extraccin de cido ribonucleico 1633.2. Amplificacin de fragmentos de cido desoxiribonucleico complementario (ADNc)
a travs de la reaccin en cadena de la polimerasa (PCR) 1633.3. Identidad de los fragmentos amplificados 1653.4. Amplificacin del ADNc completo de la fructosiltransferasa de Agave tequilana(atft)3.4.1. Amplificacin de los extremos terminales 3 y 5 1723.4.2. Determinacin de la orientacin de los insertos en el vector 1743.4.3. Ligacin del ADNc completo de atft 1763.5. Anlisis de la secuencia atft 1783.5.1. Uso de codones del ADNc de atft 1803.5.2. Identificacin de la protena madura 1803.5.3. Glicosilhidrolasa 32 1863.6. Expresin heterloga de atft 1883.6.1. Construccin del vector pGAPZC-atft 1883.6.2. Anlisis de expresin 1893.6.3. Identidad de la AtFT 192IX. CONCLUSIONES 195X. PERSPECTIVAS 196XI. APNDICESA.- Preparacin de soluciones 198B.- Anlisis de fragmentacin de alditol acetatos parcialmente metilados (PMAA) 200C.- Desplazamientos qumicos de 13C-fructanos 207D.- Secuencias aisladas 212XII. REFERENCIAS 217
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NDICE DE FIGURAS
PginaFigura 1. Mayahuel 6Figura 2.Clasificacin taxonmica deAgavey Dasylirion 8Figura 3. Caractersticas morfolgicas de miembros de la familia Agavaceae y Nolinaceae 11
Figura 4. Distribucin de las familias Agavaceae y Nolinaceae 12Figura 5. Edulcorante fructosado Naturel 23Figura 6.Influencia de factores abiticos en la asimilacin de CO2enA. lechuguilla 26Figura 7. Influencia de la temperatura en la asimilacin de CO2enA. tequilana 27Figura 8. reas ptimas, subptimas y marginales para el cultivo deA. tequilanaen Jalisco 28Figura 9.Cambios en la velocidad de respiracin durante sequa en races de lluvia y
establecidas enA. deserti 32Figura 10.Diferencia de temperatura entre el rea foliar (de maz o agave) y el aire circundante 33Figura 11. Metabolismo cido de las crassulaceas 35Figura 12. Estrategias de flujo de carbono propuestas para especies CAM 38Figura 13.Unidades estructurales de los fructanos 42Figura 14.Rango de grados de polimerizacin (DP) en especies que acumulan fructanos 45
Figura 15.Diferentes vas biosintticas de fructanos en plantas superiores 48Figura 16. Regulacin de la actividad de fructosiltransferasas 54Figura 17. Alineamiento de protenas pertenecientes a las familias GH32 y G68 57Figura 18.Mecanismos catalticos de las glicosilhidrolasas 59Figura 19.Papel de las fructosiltransferasas en el desarrollo de plantas superiores 61Figura 20. Efecto de la defoliacin en el metabolismo de fructanos 63Figura 21.Metabolismo de fructanos enAvena sativabajo estrs por fro 66Figura 22.Fructanos en estrs por sequa 68Figura 23.Modelo propuesto de la participacin de fructanos en la resistencia a patgenos 70Figura 24.Esquema general de trabajo 76Figura 25.Programa de elucin utilizado en la separacin cromatogrfica de fructanos
deAgavey Dasylirion 83
Figura 26.Metodologa de derivatizacin de carbohidratos a PMAA 85Figura 27.Diseo de oligonucletidos degenerados 98Figura 28.Vector pGEM-T Easy 100Figura 29.Amplificacin de los extremos de ADNc mediado por ARN ligasa (RLM-RACE) 102Figura 30. Mapa del vector pGAPZC 105Figura 31.Contenido de carbohidratos no estructurales solubles 109Figura 32. Presencia de almidn en especies deAgavey Dasylirion 115Figura 33.Cromatografa en capa fina de fructanos deAgavey Dasylirion 117Figura 34.Perfil cromatogrfico (HPAEC-PAD) de fructanos de agave comparados con
fructanos de achicoria (tipo inulina) y cebolla (neofructanos) 119Figura 35. Perfil de elusin, utilizando cromatografa de gases, de fructanos deAgavey
Dasylirionderivatizados a alditol acetatos parcialmente metilados 122Figura 36.Comparacin de fructanos derivatizados en tres especies vegetales 123Figura 37.Cuantificacin de los glicosil-derivados en fructanos de las especies analizadas 127Figura 38. Espectro de masas MALDI-TOF-MS de fructanos deA. tequilana 131Figura 39.Espectro de 13C-RMN de fructanos deA. tequilana 131Figura 40.Espectros de 13C-RMN de fructanos en Asparagales 135Figura 41.Espectro de 1H-RMN de sacarosa y fructanos de Dahilia variabilisyAgave tequilana 136Figura 42. Estructuras propuestas para fructanos presentes enAgavey Dasylirion 139Figura 43.Cromatografa de afinidad a concanavalina A 142
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Figura 44.Cromatografa de intercambio aninico 144Figura 45.Cromatografa de hidroxiapatita 146Figura 46.Cromatografa de exclusin en gel 148Figura 47.Electroforesis en gel de poliacrilamida desnaturalizante 150Figura 48.Perfil cromatogrfico de fructanos sintetizados por el extracto crudo deA. potatorum 152Figura 49.Cromatografa de intercambio aninico 156
Figura 50.Actividades hidrolticas de la fraccin Q0 157Figura 51.Perfil cromatogrfico de productos del ensayo enzimtico de las fracciones de
intercambio aninico deA. potatorum 158Figura 52.Productos de la accin enzimtica de las fracciones afines a concanavalina A 160Figura 53.Modelo propuesto para la biosntesis de fructanos enAgavey Dasylirion 162Figura 54.Extraccin de ARN 164Figura 55.Amplificacin de fragmentos con oligonucletidos degenerados 165Figura 56. Anlisis de restriccin de productos amplificados con oligonucletidos degenerados 166Figura 57. Dendograma de secuencias alineadas de fructosiltransferasas 168Figura 58. Alineamiento de los fragmentos amplificados deA. tequilanacon enzimas
relacionadas al metabolismo de fructanos 170Figura 59. Amplificacin rpida de los extremos del DNAc de atftmediado por la ARN ligasa 173
Figura 60. Orientacin de los insertos At5- y At3-RACE en el vector pGEM-T Easy 175Figura 61. Estrategia de clonacin para la obtencin del plsmido pGEM T-atft 177Figura 62.Digestin y anlisis de restriccin 178Figura 63. rbol filogentico sin raz de enzimas del metabolismo de fructanos 179Figura 64.Prediccin del pptido seal en AtFT 182Figura 65. Alineamiento de AtFT con Inv-V y FT 184Figura 66.Perfil cromatogrfico de productos generados de AtFT excretada al medio
Extracelular 190Figura 67. Perfil cromatogrfico de los productos generados de AtFT contenida en la fraccin
celular 192
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NDICE DE TABLAS
PginaTabla 1. Clasificacin de subgneros y grupos deAgave 9Tabla 2. Composicin del aguamiel y pulque 21Tabla 3. Productividad anual de agaves y otras plantas CAM 25
Tabla 4. Rangos de temperatura para el cultivo deA. tequilanaen Jalisco 29Tabla 5. Tolerancia de agaves y dasylirion a fro extremo 29Tabla 6. Susceptibilidad a la cavitacin deA. tequilanayA. deserti sometidos a sequa 31Tabla 7. Comparacin de parmetros fisiolgicos de Zea mays yAgave americana 34Tabla 8. Clasificacin taxonmica y comportamiento CAM de algunas especies estudiadas 37Tabla 9. Ocurrencia de fructanos en Angiospermas 41Tabla 10.Predominancia estructural de fructanos segn la especie 46Tabla 11. Propiedades cinticas de distintas fructosiltransferasas 51Tabla 12.Muestreo de especies deAgavey Dasylirion 75Tabla 13.Determinacin enzimtica de D-glucosa, D-fructosa y sacarosa 78Tabla 14. Secuencia de los oligonucletidos utilizados 96Tabla 15.Identificacin de fructanos eludos en un sistema cromatogrfico intercambio
aninico de alta resolucin (HPAEC-PAD) 120Tabla 16.PMAA en fructanos deAgavey Dasylirion spp., Dahlia variabilisyAllium cepa 125Tabla 17.Contribucin relativa de compuestos derivatizados en los fructanos 128Tabla 18.Correlacin entre diferentes compuestos derivatizados 128Tabla 19.Desplazamientos qumicos de 13C-RMN de fructanos 133Tabla 20.Desplazamientos qumicos de 1H-RMN de fructanos 137Tabla 21.Calibracin de la columna de exclusin y estimacin de pesos moleculares de las
fracciones protenicas 149Tabla 22.Productos formados en los bioensayos con fracciones Q y usando sacarosa o 1-
kestotriosa como sustrato 153Tabla 23.Secuencias de enzimas relacionadas al metabolismo de fructanos 167Tabla 24.Uso de codones en el ADNc de atft 181
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ABREVIATURAS UTILIZADASDEPC Dietil pirocarbonatod.i. Dimetro internodATP Adenosin desoxitrifosfatodCTP Citocin desoxitrifosfatodGTP Guanidin desoxitrifosfatoDMSO Dimetil sulfxidodNTP Mezcla de dATP, dCTP, dGTP y dTTPdTTP Tiamin desoxitrifosfatosDTT Ditiotreitole.r.c. Respuesta efectiva de carbono (effective response of carbon)EPI ndice productivo ambiental (environmental productive index)FOS Fructo-oligosacridosGC-FID Cromatografa de gases acoplado a detector de ionizacin en flama (gas
chromatography coupled to flame ionization detector)
GC-MS Cromatografa de gases acoplado a espectrometra de masas (gaschromatography coupled to mass spectrometry)
GH GlicosilhidrolasaHPAEC-PAD Cromatografa de intercambio aninico de alta resolucin acoplado a detector de
pulso amperomtrico (high performance anionic exchange chromatography-pulseamperometric detector)
HPLC Cromatografa lquida de alta resolucin (high performance liquid chromatography)Inv-CW Invertasa de pared celular (invertase-cell wall)Inv-V Invertasa vacuolarIOS Inulo-oligosacridosKD Coeficiente de distribucin de la masa molecularKh Conductividad hidrulica1-KES 1-Kestotriosa (O--D-Glcp-(1-2)-O--D-Fruf-(2-1)--D-Fruf)6-Kes 6-Kestotriosa (O--D-Glcp-(1-2)-O--D-Fruf-(6-2)--D-Fruf)6G-Kes 6-Glucosa-kestotriosa o neokestosa (O--D-Fruf-(2-6)-O--D-Glcp-(1-2)--D-Fruf)6-KES 6-Kestosa exohidrolasaPAHBAH Hidracida del cidop-hidroxibenzoicoPAR Radiacin fotosintticamente activa (photosynthetically active radiation)PCR Reaccin en cadena de la polimerasa (polymerase chain reaction)PH Process hardinessPMAA Alditol acetato parcialmente metilado (partially methylated alditol acetate)RMN Resonancia magntica nuclear
TAE Buffer Tris-HCl 40 mM, cido actico 20 mM, EDTA 1mMTE Buffer Tris-HCl 10 mM, EDTA 1 mM, pH 8.0.TFA cido trifluoroactico (Trifluoroacetic Acid)TLC Cromatografa en capa fina (thin layer chromatography)
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I. RESUMEN
Los agaves son parte del 15% de plantas superiores que almacenan fructanos, polmeros de
fructosa sintetizados a partir de la acumulacin de sacarosa en la vacuola. Existen cinco tipos
estructurales de fructanos, segn la manera en que los residuos -D-fructofuranosa son
transferidos por las fructosiltransferasas, enzimas involucradas en su metabolismo. La
acumulacin de algn tipo de fructanos parece depender de la especie, y la presencia de stos se
sugiere importante en la tolerancia a distintos tipos de estrs abitico.
En el presente trabajo se caracteriz la estructura de fructanos y se compar el patrn de
carbohidratos no estructurales en varias especies de agave, crecidas en distintas regiones
climticas; incluyendo, adems, a Dasylirionspp., una especie poco estudiada pero morfolgica y
taxonmicamente relacionada con los agaves. El contenido de fructanos en los tallos de agavefue superior al 60% (peso seco) y dasylirion acumul solo el 17%; mientras que, el almidn en
estas especies no represent ms del 2%. Las diferencias entre especies fueron cuantitativas ms
que cualitativas, encontrndose una correlacin de la concentracin de fructanos y aquellos
involucrados en su metabolismo (fructosa, glucosa, sacarosa) con las condiciones ambientales
donde estas plantas fueron colectadas (por ejemplo, ms fructosa en plantas colectadas en
regiones ridas). La diversidad de fructanos fue evidenciada por tcnicas cromatogrficas (TLC,
HPAEC-PAD) y espectroscpicas de alta resolucin (NMR, MALDI-TOF-MS), que permitieronproponer estructuras complejas, hasta ahora no reportadas, que hemos denominado agavinas.
La diversidad estructural coincidi perfectamente con las diferentes actividades fructosiltransferasa
identificadas en un extracto protenico de Agave tequilana, que utilizando sacarosa como nico
sustrato, produjo un perfil de fructanos semejante a lo observado in vivo. A travs de distintos
pasos cromatogrficos se lleg a un enriquecimiento de la actividad de enzimas involucradas en
el metabolismo de fructanos en agaves.
Finalmente, se aisl un ADNc de Agave tequilana con una mayor homologa a la enzima
fructan:fructan-6-glucosa-fructosiltransferasa (6G-FFT) reportada en esprrago y cebolla; sin
embargo, su expresin en el sistema de expresin de Pichia pastoris, evidenci una principal
actividad de 1-fructan:fructan fructosiltransferasa (1-FFT). ste constituye el primer ADNc aislado
en la importante familia Agavaceae y el primer 1-FFT del orden Asparagales.
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II. INTRODUCCIN
Los fructanos son carbohidratos de reserva sintetizados por solo el 15% de las plantas superiores,
y aunque han sido tpico de investigacin desde hace 200 aos aproximadamente, hay aspectos
estructurales, fisiolgicos y evolutivos que an faltan por ser elucidados. La presencia de fructanos
en agaves es reportada desde la dcada de los aos 50 y 70; sin embargo, estos estudios son
limitados aAgave vera cruz, una especie que crece en la regin de Asia y actualmente est casi
extinta. Solo recientemente, la investigacin de fructanos en agave ha resurgido, enfocndose
principalmente aAgave tequilana, especie de gran relevancia industrial en nuestro pas, debido a
que la hidrlisis de sus fructanos constituye el sustrato fermentable en la produccin de tequila.
Los fructanos son polmeros de fructosa que se sintetizan en la vacuola como respuesta a una
acumulacin de sacarosa en este organelo. Las fructosiltransferasas (FT), enzimas que participanen su metabolismo, adicionan residuos de -D-fructofuranosa a una unidad de sacarosa utilizada
como aceptor inicial. Los cinco tipos estructurales de fructanos descritos hasta ahora, son
resultado de las distintas formas en que las diversas enzimas transfieren los residuos de fructosa.
La 1-sacarosa:sacarosa-fructosiltransferasa (1-SST), es la enzima inicial que transfiere una unidad
de fructosa de una molcula de sacarosa a otra. La 1-kestotriosa as formada (G-F-F), es el
metabolito central utilizado por las dems FT en la sntesis de fructanos superiores. La 1-
fructan:fructan-fructosil-transferasa (1-FFT) elonga el polmero mediante enlaces (2-1),generando el fructano conocido como inulina; la 6-SFT sintetiza levanos, esto es, polmeros
lineales con enlaces (2-6) o introduce este tipo de enlace en una molcula de inulina existente,
produciendo los graminanos o fructanos ramificados; por su parte, la fructan:fructan-6-glucosa-
fructosiltransferasa (6G-FFT) transfiere residuos de fructosa al carbono 6 de la glucosa, generando
los denominados neofructanos (inulina- o levano-neoserie, dependiendo del enlace),
caracterizados por tener una unidad de glucosa entre dos molculas de fructosa. Finalmente, en el
metabolismo de estas biomolculas, adems participan la fructan exohidrolasa (FEH) y la
invertasa vacuolar (Inv-V). La primera enzima degrada los polmeros hidrolizando la fructosa
localizada en un extremo; mientras que el papel de la Inv-V es controversial en el anlisis
metablico de estos carbohidratos, ya que es capaz de sintetizar o hidrolizar algunos fructanos
dependiendo de las condiciones de reaccin.
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La acumulacin de un tipo especfico de fructanos parece seguir un patrn que depende de la
especie, por lo que se ha sugerido que la determinacin estructural de fructanos puede utilizarse
como criterio adicional en la clasificacin taxonmica de las especies. Por otra parte, aunque no
hay un mecanismo completamente entendido, existen evidencias experimentales que sugieren la
importancia de los fructanos en la tolerancia de algunas especies a distintos tipos de estrs
abitico, como sequa, fro o salinidad, o en una mayor resistencia contra organismos patgenos,
como los hongos Thyphula incarnata, T. ishikariensisyMicrodochimm nivale.
Las implicaciones evolutivas de los fructanos y de su diversidad estructural estn lejos de ser
claras; sin embargo, algunos autores coinciden que la disponibilidad limitada de agua, fue el
principal factor climtico que dio origen a las plantas que acumulan este tipo de carbohidratos. El
orden Asparagales, donde se incluye a las familias Agavaceae y Nolinaceae, contiene especies
sintetizadoras de fructanos ampliamente distribuidas en distintos ecosistemas. Este orden no esconsiderado altamente evolucionado, como los dems rdenes que almacenan fructanos.
Adicionalmente, los restos ms antiguos de plantas que sintetizan estos polmeros, corresponden
a una flora que parece ser el ancestro de los agaves actuales.
La sorprendente capacidad de los agaves para desarrollarse en ambientes hostiles, adems de las
caractersticas morfolgicas (hojas suculentas) y fisiolgicas (metabolismo CAM) especializadas
para la supervivencia en condiciones de sequa, permite la especulacin de que el metabolismo
de fructanos pudo haber sido un factor adicional importante en la adaptacin de la flora ancestral,
y que actualmente sigue jugando un papel destacado en el desarrollo de los agaves en ambientes
ridos, caracterizados por una limitacin importante de agua.
En el intento de lograr un mejor entendimiento de la fisiologa de los fructanos y su implicacin en
el mecanismo de tolerancia al estrs abitico de la sequa en agaves, en el presente trabajo se
determinaron las caractersticas estructurales de los fructanos almacenados por cinco especies de
agave crecidas en distintas regiones geogrficas de la Repblica Mexicana, con la finalidad de
encontrar una posible correlacin entre la concentracin y tipo de fructanos con las caractersticas
climticas donde se establecen las especies estudiadas. Se incluy adems, especies silvestres
de Dasylirion(de la familia Nolinaceae), para buscar una posible distincin estructural debida a la
diferencia de gneros. De acuerdo a nuestro conocimiento, es la primera vez que la presencia y
caracterizacin de fructanos en Dasylirion spp. es analizada a profundidad. As mismo, se
identificaron las principales actividades enzimticas involucradas en la sntesis de fructanos y se
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aisl el ADNc de una fructosiltransferasa, en el primer intento de encaminar las futuras
investigaciones al estudio de la regulacin del metabolismo de fructanos en Agavaceae.
Un mejor conocimiento de la estructura de fructanos y la regulacin de su metabolismo enAgavey
Dasylirion, pueden generar perspectivas en el conocimiento cientfico y en sus aplicaciones
biotecnolgicas.
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III. OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Caracterizar los fructanos presentes en especies de Agave y Dasylirion spp,, identificar las
principales enzimas involucradas en su metabolismo y aislar sus secuencias codificantes.
OBJETIVOS ESPECFICOS
1. Caracterizar y comparar la estructura de carbohidratos de almacn en cinco especies de
Agavey Dasylirion spp.y correlacionarla con las caractersticas climticas de las regionesdonde crecieron las plantas.
2. Identificar las principales actividades enzimticas involucradas en el metabolismo de
fructanos en estas especies.
3. Aislar el ADNc de las principales enzimas involucradas en el metabolismo de fructanos de
Agave tequilanaWeber var. azul.
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IV. ANTECEDENTES
1.- AGAVES Y DASYLIRION
Los agaves y algunos miembros de la familia Nolinaceae, como Dasylirion spp., son plantas que
han acompaado al hombre a lo largo de su historia y evolucin, desde los primeros pobladores
mesoamericanos hasta la actualidad. En tiempos prehispnicos, metl (agave en nhuatl, que
tambin incluye a Dasylirion y especies relacionadas, Gentry, 1998) fue considerado como un
regalo de los dioses, la primera planta que stos haban creado y su importancia para estas
sociedades, es evidente en su legado de cdices y pinturas rupestres, donde Mayahuel, la diosa
del agave, es fcilmente identificable por sus pencas, su inflorescencia estilizada y el espumoso
pulque sobre su cabello o en una vasija entre sus manos (Figura 1) (Gentry, 1998). Agave y
Dasylirion han sido cultivos claves, componentes primarios de productividad en virtualmentecualquier tipo de zona agrcola, desde tierras altas, productivas y de alta humedad, hasta aquellas
zonas secas e infrtiles donde en ocasiones son cultivos dominantes o exclusivos (Parsons y
Darling, 2000).
1.1. CLASIFICACIN TAXONMICA
Los miembros de las familias Agavaceae y Nolinaceae presentan un alto grado de convergencia
morfolgica, lo que dificulta el estudio de su evolucin y taxonoma (Eguiarte, 1995).
Figura 1. Mayahuel. Representacin prehispnica de la deidad del agave. Mayahuel representa lafertilidad, una diosa que alimenta con sus 400 pechos a sus 400 hijos, todos ellos dioses de laembriaguez.
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La divergencia evolutiva de los agaves parece haber sucedido hace 60 millones de aos, durante
el Eoceno; mientras que la separacin entre Agavaceaesensu strictoy Nolinaceae habr ocurrido
hace 47 millones de aos, se calcula que su dispersin fue hace 35 millones de aos, y que sus
tallos y hojas suculentas son caractersticas ms recientemente adquiridas (Eguiarte, 1995; Nobel,
1998).
1.1.1. AGAVACEAE
Carlos Linneo estableci el gnero Agave en 1753 describiendo cuatro especies:A. americana,A.
vivipara, A. foetida(ahora en el gnero Furchraea) yA. virginica(ahora en el gnero Manfreda)
(Gentry, 1998). La familia Agavaceae fue creada en 1836 por el botnico australiano Stephen
Endlicher incluyendo el gnero Agavey Furcraea. Richard A. Salisbury en 1866 dividi la familia
en dos secciones: agaves con ovario spero donde el gnero Yuccaestaba incluido y aquellos conovario nfero, donde se incluyeron a los gneros Agavaea, Furcraea, Littaea, Manfreda y
Polianthes. Sin embargo, como lo manifest en 1871 Joseph Hooker, la familia ha sido difcil de
clasificar, dada la amplia distribucin, presencia de hbridos, tardanza de la emergencia floral (8-50
aos) y variabilidad de estas especies dependiendo de la geografa y el clima (Pea-lvarez et al.,
2004). Una discrepancia en la clasificacin esta dada por la semejanza en la estructura floral,
propiedades de tejido y compuestos qumicos con algunos miembros de la familia Amaryllidaceae
(sbila), Alliaceae (cebolla) y Asparagaceae (esprrago) (Nobel, 1998).
Actualmente, la clasificacin reportada por Dahlgren, Clifford y Jeo (1985) es la ms aceptada. En
un anlisis de monocotiledneas basado en el nmero cromosomal, anlisis anatmico, qumico,
biogeogrfico y cladsitico, proponen al orden Asparagales con 30 familias, incluyendo Agavaceae,
Nolinaceae, Asparagaceae, Dracaenaceae, Alliaceae y Amarallidaceae (Figura 2). Describen a la
familia Agavaceae como restringida al continente americano y dividida en dos subfamilias:
Yuccoideae, con ovario spero (Yucca y Hesperale) y Agavoideae con ovario nfero (Agave,
Beschorneria, Furcraea, Manfreda, Polianthesy Prochnyanthes). Esta clasificacin es apoyada por
anlisis palinolgicos y secuencias del ADN cloroplstico del gen rbcL (subunidad grande de la
Rubisco) (Ojeda y Ludlow, 1995; Eguiarte, 1995).
En la subfamilia Agavoideae, el gnero Agave es el ms importante y fue dividido por Gentry
(1982) en dos subgneros y grupos de acuerdo a su inflorescencia (Tabla 1): Littaea, con un
rgano floral espigado yAgave, cuya inflorescencia es paniculada y con ramificaciones (Figura 3).
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1.1.2. NOLINACEAE
La familia Nolinaceae fue propuesta en 1936 por el botnico japons Takenoshin Nakai, pero sta
no fue aceptada hasta 1985, cuando Dahlgren y col. reconocieron dicha separacin e incluyeron
en la familia Nolinaceae a los gneros Beaucarnea, Calibanus, Dasylirion y Nolina (Figura 2),
todos ellos con ovario spero y al parecer, sta es una familia de origen monofiltico, actualmente
con 55 especies y 60 taxa.
DIVISIN Angisoperma
CLASE Liliopsida Magnoliopsida(Monocotiledonae) (Dicotiledonae)
RDEN Asparagales Otros rdenes
FAMILIA Agavaceae Nolinaceae Otras 28 familias*
SUBFAMILIA Agavoideae Yuccoideae
GNERO Beschorneria Yucca BeucarneaFurcraea Hesperale CalibanusManfreda NolinaPolianthes DasylirionProchynathes
Agave
SUBGNERO Littaea(8 secciones) Agave(12 secciones)
Figura 2. Clasificacin taxonmica de Agave y Dasylirion. Clasificacin propuesta porDahlgren, Clifford y Jeo en 1995. *Alliaceae, Amaryllidaceae, Anthericaceae, Aphyllanthaceae,Asparagaceae, Asphodelaceae, Asteliaceae, Blandfordiaceae, Calectasiaceae, Convallariaceae,Cyanastraceae, Dasypogonaceae, Dracaenaceae, Doryanthaceae, Eriospermaceae, Funkiaceae,Hanguanaceae, Hemerocallidaceae, Herreriaceae, Hyacinthaceae, Hypoxidaceae, Ixioliriaceae,Luzuriagaceae, Philesaciae, Phormiaceae, Ruscaceae, Tecophilaeaceae, Xanthorrhoeaceae.
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Tabla 1. Clasificacin de subgneros y grupos deAgave.Subgnero Grupos Caractersticas No.
especiesEjemplos
Littaea Amolae* acaulescentes 8 attenuata, bakeri,pedunculifera, chrysoglossa,ocahui, vilmoriniana,
yuccaefoliaChoritepalae* especies pequeas,
tepalos separados3 bracteosa, ellemeetiana,
guiengolaFiliferae* hojas largas filferas,
limitados a la Sierra MadreOccidental
7 colimana, felgeri, filifera,geminiflora,multifilifera, ornithobroma,schidigera
Marginatae pequeas flores, largostepalos
21 albomarginata, ensifera,ghiesbreghtii, horrida,kerchovei, lechuguilla,lophanta, pelona, pumilla
Parviflorae pequeas flores altamenteespecializadaalto contenido desapogeninas
4 parviflora, polianthiflora,schotti, toumeyana
Polycephalae* hojas y flores de suavesuculencia,dientes pequeos
5 celsii, chiapensis, pendula,polyacantha,warelliana
Striatae* hojas aserradas, flores ytepalos pequeos
3 dasyliroides, striata, stricta
Urcerolate tamao pequeo, florespequeas enforma de urna
2 arizonica, utahensis
Agave Americanae flores amarillas de pedicelolargo
6 americana, franzosini, lurida,oroensis, scabra,scaposa
Campaniflorae* rosetas cortas, hojaslargas verdes
3 aurea, capensis, promontorii
Crenatae mrgenes mamilados,pancula estrecha
7 bovicornuta, calodonta,cupreata, hookeri,inaequidens, jaiboli,maximiliana
Deserticolae hojas rgidas fibrosas,lanceoladas, ydientes dbiles, panculadelgada
10 avellanidensis, cerulata,deserti, gigantensis,margaritae, mckelveyana,moranni, sobria
Ditepalae pancula abierta, tepaloscortos dimrficos
10 applanata, chrysantha,colorata,flexispina, fortiflora, murpheyi,
palmeri
Hiemiflorae flores agrupadas en formaesfrica en una panculadelgada
12 atrovirens, congesta,hiemiflora, hurteri,lagunae, pachycentra,
potatorum
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Marmoratae* pocas hojas escabrosas,espina pequea
4 gypsophila, marmorata,nayaritensis, zebra
Parryanae roseta globosa, compacta,hojas cortas, anchas,dientes conspicuos haciala hoja
6 gracilipes, guadalajarana,havardiana,neomexicana, parrasana,
parryi
Rigidade hojas delgadas rgidas,dispuestas en espiral,bracteas pequeas,abiertas poco ramificadas
12 aktites, angustifolia, cantala,fourcroydeskarwinskii, macroacantha,tequilana
Salmianae largas rosetas verdessuculentas forma piramidalen la base de la pancula
5 macroculmis, mapisaga,salmiana, tecta,ragusae
Sisalanae hojas lanceoladas,carnosas, verdes
5 desmettiana, kewensis,neglecta, sisalana, weberi,
Umbelliflorae Pancula umbeladasostenida por un tallosuculento
2 shawii, sebastiana
Clasificacin propuesta por Gentry (1982), * grupos endmicos de Mxico de acuerdo a Garca-Mendoza (1992).
1.2. DISTRIBUCIN
Los agaves son de gran significancia para Mxico, pues ste se considera centro de origen,
evolucin y diversificacin del gnero. Aproximadamente el 87% (272) de las especies descritas,
se encuentran ampliamente adaptadas y distribuidas en los diversos ecosistemas de nuestro
territorio; adems de la presencia de especies menos evolucionadas y endmicas (Lpez et al.;
2003). La familia Agavaceae se distribuye desde el sur de Canad, Estados Unidos, Mxico,Centroamrica y norte de Sudamrica, siguiendo la cadena montaosa de los Andes, hasta
Bolivia, Paraguay e islas del Caribe (Figura 4) (Garca-Mendoza y Galvn, 1995).A pesar de que
estas plantas son nativas de regiones ridas y semiridas, crecen en distintas elevaciones, desde
el nivel del mar hasta ms de 2100 m, y en habitats tan variados como bosques, colinas secas,
planicies ridas y a la orilla del mar (Irish, 2000). La distribucin de los gneros Beschcorneria,
Furcraea, Polianthes y Prochnyanthes est restringida a Mxico (Ojeda y Ludlow, 1995). La
presencia de algunos agaves en Asia y en el Mediterrneo se considera como dispersin de laespecie por la mano del hombre.
Por su parte, la distribucin de Nolinaceae es an ms restringida. Sus cuatro gneros son
endmicos del sur de Norteamrica (Carolina, Georgia, Florida, Colorado, Texas), Mxico y parte
de Centroamrica (Guatemala, Belice, Honduras). De aproximadamente 55 especies, en Mxico
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Figura 3. Caractersticas morfolgicas de miembros de la familia Agavaceae y Nolinaceae.
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Figura 4. Distribucin de las familias Agavaceae y Nolinaceae.Modificada de Garca-Mendozay Galvn 1995.
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se encuentran 49 (89%) (Figura 4) (Garca-Mendoza y Galvn, 1995), siendo la distribucin de
Beaucarnearestringida en nuestro pas (Ojeda y Ludlow, 1995).
1.3. DESCRIPCIN DE LOS GNEROS Y CARACTERSTICAS DELIMITANTES DE LAS
FAMILIAS AGAVACEA Y NOLINACEAE
Las familias Agavaceae y Nolinaceae son monocotiledneas con similitud entre ellas y con otros
miembros del orden Asparagales, en el crecimiento de sus hojas en forma de roseta, nmero de
hojas de 20 hasta ms de 200, ramilletes florales de seis flores con 6 estambres y 6 tepalos (este
ltimo trmino refiere a la combinacin de 3 ptalos y 3 spalos indistinguibles uno de otro).
Cuando las plantas alcanzan su madurez, la inflorescencia emerge de la roseta con ovarios
segmentados en tres cmaras. A pesar de dichas similitudes, estas familias difieren en algunos
puntos.Anlisis citolgicos de los agaves han determinado un nmero cromosomal x = 30 y unahaploida que oscila entre diplode y hexaplode (tequilana, 2x = 60) (Ruvalcaba-Ruiz y Rodrguez-
Garay, 2002), con 5 cromosomas largos y 25 cortos. En contraste, la familia Nolinaceae tiene 19
cromosomas, todos del mismo tamao. Los agaves tienen flores perfectas, es decir, la parte
masculina y femenina se encuentran en la misma planta; mientras que las de Nolinaceae son
dioicas, las flores masculinas y femeninas se encuentran en distintas plantas. Las flores de las
Agavaceae son de colores y tamaos variados (al menos de 2.5 cm de largo), mientras que las
Nolinaceae son invariablemente de color crema y pequeas (menores de 2.5 mm) (Figura 3). En
las de Agavaceae, algunos gneros como Agave y Furcraea son monocrpicas, es decir, las
rosetas mueren despus de florecer; mientras que las de Nolinaceae son policrpicas y sus
rosetas producen inflorescencia en mltiples aos. Con algunas excepciones, los frutos de las
Agavaceae son dehiscentes con mltiples semillas planas y negras (con fitomelanos) contenidas
en lculos de tres cavidades que se dispersan en la madurez; mientras que los frutos de las
Nolinaceae son indehiscentes con 1 a 6 semillas redondas y cafs (sin fitomelanos) que
permanecen en el fruto (Garca-Mendoza, 1992). A pesar de esto, es importante mencionar que
dada las similitudes compartidas entre estos dos gneros, muchas veces DasylirionyAgaveson
comparadas e incluso estudiadas juntas.
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1.3.1. AGAVE
Los agaves se consideran plantas perennes, pues su ciclo de crecimiento y floracin toma ms de
una estacin de crecimiento. Sus hojas generalmente son duras y rgidas (Figura 3), aunque
tambin hay especies de hojas laxas. Muchos agaves, en sus hojas contienen una espina terminal
y/o prominentes dientes marginales rectos o curveados, minsculos o largos y planos o
redondeados, siendo todas estas caractersticas tiles en la clasificacin taxonmica; aunque el
color de los dientes y las espinas pueden variar con la edad, medioambiente o condicin fisiolgica
de la planta (Gentry, 1998; Irish, 2000). Sus tallos generalmente son pequeos, muchas veces son
slo una base escondida entre la masa de hojas que de ste emergen, y son raras las especies
que forman troncos de tamao considerable. La inflorescencia emerge del tallo de manera
espectacular cuando la planta llega a la madurez, alcanzando 1.8 m en especies pequeas y
hasta 12 m en las ms grandes. sta tarda en emerger dependiendo de la especie: A. tequilanatoma de 8 a 10 aos,A. fourcroydeslo hace alrededor de 15 aos y en A. desertisucede cuando
la planta alcanza la edad aproximada de 55 aos (Nobel, 1987). El largo tiempo en que la planta
comienza a florecer favorece que la propagacin de la especie sea principalmente asexual a
travs de la generacin de rizomas o hijuelos. Sin embargo, la edad y frecuencia con que los
agaves comienzan a producir hijuelos tambin es variable: a A. tequilana le toma 3 aos y A.
deserti los produce despus de los 13 aos (Nobel y Quero, 1986). Por otro lado, algunas
especies producen rizomas de manera prolfica, mientras que otros llegan a producir uno o dos
rizomas en toda su vida. Las flores establecidas comienzan a abrir desde la base hasta la punta
del tallo floral; sus 6 tpalos son duros, sostenidos en dos grupos de tres, en algunos casos con
una disposicin de ramillete o fusionados con el tejido ovrico. Las flores de las formas
paniculadas son ms resistentes y duraderas que las formas espigadas, influyendo esto en el tipo
de animales que las polinizan, siendo murcilagos y pjaros en el primer caso y pequeos
insectos en el segundo (Figura 3).
Variedades distintas de agave tienen diferentes propiedades y caractersticas; algunas por
ejemplo, son mejores productoras de savia, otras son mejores en la obtencin de fibras y otras
tantas se desarrollan mejor en suelos con ciertas caractersticas. El orgen para la diversidad
botnica de estas especies se sugiere como resultado de una seleccin prehistrica humana con
el fin de incrementar cualidades especficas, aumentando as el sistema productivo del agave
diversificado y especializado (Parsons y Darling, 2000).
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1.3.1.1.Agave tequilanaWeber var. azul
A. tequilana es una planta suculenta de tallo grueso y corto que alcanza de 30 a 50 cm en la
madurez. El rgano floral mide de 5 a 6 m y es densamente ramificado con 20 a 25 umbelas
largas con flores verdes de 68 a 75 mm de largo, sostenidas sobre pequeos pedicelos
bracteolados. Las pencas se extienden radialmente con una longitud de 90 a 120 cm de largo por
8 a 12 cm de ancho, son lanceoladas, acuminadas, fibrosas, cncavas, ms anchas en medio,
volvindose angostas y ms gruesas hacia la base; presentan un color azul verdoso que le da
nombre a su variedad, con un margen regularmente dentado y espinas aplanadas de 1 a 2 cm de
largo.A. tequilanaalcanza su madurez fisiolgica entre los 8 y 12 aos. Para fines comerciales, la
inflorescencia se corta cuando comienza a emerger; de esta manera los carbohidratos destinados
a la emergencia floral son ahora acumulados en el tallo.
1.3.1.2.Agave angustifoliaHaworth
El tamao y forma de A. angustifoliaes altamente variable, su roseta puede ser de 1 a 1.5 m de
alto y de 2 a 2.4 m de ancho; la formas varigatas son mucho ms pequeas. Las plantas producen
numerosos hijuelos, por lo que raramente son plantas solitarias. Sus hojas lanceoladas son
numerosas y rgidas, de 2.5 a 10 cm de ancho y de 0.6 a 1.2 m de largo, planas en la superficie,
convexas hacia la punta, angostas y gruesas hacia la base. El color de sus pencas vara de verde
a verde grisceo, con pequeos dientes curveados y espaciados cada 1.3 a 3.8 cm y una espina
terminal corta, generalmente color caf o de color granate o negro. La inflorescencia paniculada de
A. angustifoliaes de 3 a 5 m de largo con 10 a 20 ramificaciones con flores verdes a amarillas.
Esta es la especie ms ampliamente distribuida en Norteamrica. Generalmente se le encuentra
cerca del litoral, sabana tropical, bosques de espinas y bosques tropicales caducos; se distribuye
en elevaciones que van desde el nivel del mar (desierto sonorense con precipitacin media anual
de 250 mm) hasta los 1500 msnm o ms (zona montaosa de bosque de encino de Uruapan,
Mich. con precipitacin anual de 1680 mm) (Gentry, 1998). La especie tolera cualquier condicin y
tipo de suelo (Irish, 2000), aunque durante su establecimiento la plntula es sensible a altas
temperaturas del suelo, por lo que generalmente requiere una planta nodriza como arbustos o
rboles para crecer bajo su sombra.
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1.3.1.3.Agave potatorum Zuccarini
A. potatorum, tobala o papalometles una especie pequea y solitaria. Existen aproximadamente
33 variedades de acuerdo a las caractersticas de sus hojas, las cuales se encuentran entre 30 y
80, dispuestas simtricamente alrededor de un tallo pequeo para formar una roseta abierta. Las
hojas varan en forma y color, desde ovaladas, cuadriculadas o cortas lanceoladas, de 9 a 18 cm
de ancho y de 25 a 40 cm de largo y de color verde grisceo hasta blanca. El margen de las hojas
presentan protuberancias (margen mamilado), as como dientes de 0.6 a 1.3 cm de largo y
espaciados por 1.3 a 2.5 cm, con una espina terminal afilada de 2.5 a 4.4 cm de largo y de forma
sinuosa o torcida. La inflorescencia de A. potatorumpuede ser un racimo o una pancula de 3 a 6
m de largo, con flores verde-amarillo y matices rojos; su reproduccin es por semillas. Esta planta
se distribuye principalmente en tierras altas y semiridas de Oaxaca y Puebla a elevaciones entre
1350 y 2250 msnm (Irish, 2000).
1.3.1.4.Agave cantala
A. cantala presenta rosetas verdes de 2 a 2.5 m de largo; hojas de 1.5 a 2 m, acuminadas,
redondeadas hacia la base, de color verde claro u oscuro, orilla lisa en la punta, rugosa en la base,
dientes cafs pequeos de 3 a 4 mm de largo con frecuencia cada 2 o 3 cm y espina terminal
pequea de 5 a 15 mm de largo. La pancula es de 6 a 8 m de largo, bulbfera con alrededor de 20
umbelas difusas en la parte superior, flores verdosas con tintes morados o rojizos de 70 a 85 mm
de largo; ovario fusiforme de 32 a 42 mm de largo (Gentry, 1998).
1.3.1.5.Agave fourcroydes
A. fourcroydeso henequn desarrolla un tronco de 1 a 1.7 m de largo. Sus hojas largas, delgadas,
angostas y lanceoladas son de color verde grisceo, de 8 a 13 cm de ancho y de 1.2 a 1.8 m de
largo; con espinas oscuras espaciadas y una espina terminal redondeada de 2 a 2.5 cm de largo.
El ciclo de esta especie toma de 20 a 25 aos y al final del mismo, se forma la inflorescencia
panculada de 5 a 6 m de largo con 10 a 18 ramificaciones. En sus flores verdes o amarillas, se
han observado malformaciones genticas en sus gametos, adjudicadas a su naturaleza
pentaploide (5x = 30), por lo que los granos de polen son estriles o de baja fertilidad y su
propagacin es principalmente por rizomas o bulbillos. Sin embargo, en el Centro de Investigacin
Cientfica de Yucatn (CICY) se determin que el potencial germinativo puede ser de hasta el
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93%, abriendo con esto una alternativa para favorecer la variabilidad gentica de esta poblacin
(Barredo-Pool et al., 2004). La distribucin de A. fourcroydeses comn en Yucatn, Veracruz y
Tamaulipas. Es una especie susceptible al fro, una temperatura de -2 C ocasiona serios daos a
las hojas (Irish, 2000).
1.3.2. DASYLIRION
Dasylirion, de los vocablos griegos dasys, grueso y lily, lirio es la palabra propuesta por Zuccarini
(1838) para describir la forma de penacho de uno de los gneros predominantes del desierto
Chihuahuense (Figura 3). Cuando las plantas de Dasylirion son pequeas, su crecimiento en
roseta es similar a los agaves; sin embargo cuando las plantas maduran, el tallo se vuelve
prominente, tomando forma de tronco que raramente alcanza 1 m de altura, siendo D.
quadrangulatum una excepcin notable al presentar un tronco de hasta 5 m al envejecer. Lashojas de Dasylirionson largas, lineales, flexibles y su color vara entre verde amarillento, verde
oscuro o azul-grisceo. Su margen es rayado con largos dientes pequeos, ganchudos,
apuntando hacia la base y de color amarillo a caf. Entre los espacios de estos dientes se
encuentran otros diminutos, formando as un margen serrado.
Una de las especies ms abundantes es D. wheelericonocida tambin como sotol o cuchara del
desierto, dado que sus hojas largas, hasta 1 m de longitud, delgadas y fibrosas se ensanchan
hacia la base (de 0.9 a 3 cm) dando una forma de cuchara. A diferencia de los agaves, las hojas
de Dasylirionson suaves y deshiladas formando un follaje azul verdoso que se torna oscuro al
madurar. Las flores masculinas de Dasylirion presentan estambres amarillos protuberantes,
mientras que las femeninas son blanco-verdoso, seguidas por semillas en el interior de cpsulas
aladas. La madurez de la planta, la disponibilidad de agua y probablemente la longitud del da, son
factores que inducen la formacin del tallo floral, que llega a tener dimensiones entre 1.8 y 5.2 m.
Dasyliriones una planta bien adaptada a condiciones ridas, temperaturas extremas y tambin a
cualquier tipo de suelo. No hay evidencias cientficas que indiquen el tiempo de vida de Dasylirion
pero hay quienes sugieren que 150 aos es una edad posible.
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1.4. IMPORTANCIA ECONMICA Y CIENTFICA
1.4.1. USOS TRADICIONALES
Algunas comunidades, en la actualidad, emplean los agaves como lo hacan las antiguas
civilizaciones: sus races, tallos, pencas y espinas se utilizan en la obtencin de hilos, fibras,
material para construccin, jabn, calzado, vestimenta, alimentos, medicinas, bebidas alcohlicas
tnicas, ornamentos y miel (Gentry, 1998).
1.4.2. USOS ORNAMENTALES
La belleza, mltiples formas y variedades de los agaves, as como su endemismo regional, las han
hecho ser consideradas como plantas exticas que llegan a cotizarse a precios elevados. Este
hecho ha favorecido la dispersin del gnero desde tiempos de la conquista. Al parecer los
espaoles y portugueses llevaron algunas especies comoA. americanaa Azores e Islas Canarias;A. angustifolia, A. cantalay otras especies fueron llevadas a Asia y frica; A. americana, A. lurida
y otras especies se dispersaron en las costas del Mediterrneo, alcanzando su esplendor en el
siglo XIX, cuando los agaves se volvieron populares como especies ornamentales y exticas en
los jardines pblicos y privados de Europa (Gentry, 1998).
1.4.3. OBTENCIN DE FIBRAS NATURALES
Indicios arqueobotnicos en Oaxaca (cueva de Gil Naquitz) sugieren que el hombre utilizaba las
fibras de agave desde 10800 a.C., inicindose el trabajo textil hacia los aos 1300 a 800 a.C.
(Palma, 2000). Despus de la conquista, algunas especies como A. angustifolia,A. fourcroydesy
A.sisalanafueron introducidas en reas tropicales como Indonesia, Tanzania, Filipinas y algunos
pases africanos para la produccin comercial de fibras (Irish, 2000; Jin et al., 2004). En Mxico,
para la obtencin de fibra se utilizan A. fourcroydesyA. sisalana, especies cultivadas en el Golfo
de Mxico y Pennsula de Yucatn. En algunas regiones de Oaxaca, la elaboracin de productos
basados en fibras de agave es la segunda actividad agroindustrial ms importante (Palma, 2000).
Otras especies productoras de fibra son A. lechuguillayA.peacockiiencontradas en el Valle de
Mezquital y el Valle de Tehuacn, respectivamente. Por la composicin qumica de las fibras, con
alto contenido de celulosa y bajo porcentaje de hemicelulosa, son poco asimilables a los
microorganismos y por lo tanto ms durables; mientras que el elevado contenido de lignina,
permite que las fibras soporten la accin mecnica a las que se someten durante procesos de
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tensin (Palma, 2000). El auge de su comercializacin y exportacin se dio a principios del siglo
XX; sin embargo, la competencia de las fibras sintticas ha cambiado la perspectiva econmica de
las zonas desrticas donde se cultivan este tipo de agaves.
Las fibras obtenidas de Dasylirion tambin han sido utilizadas en la elaboracin de canastas,
marcos, muecas y brochas. En la fiesta folklrica del norte de Mxico conocida como la flor del
sotol, se hacen creaciones artsticas a partir de la fibra para la decoracin de postes, crucifijos,
arcos de iglesias, tumbas y cementerios (Irish, 2000).
1.4.4. OBTENCIN Y CARACTERIZACIN DE FITOQUMICOS
Investigaciones realizadas en algunas especies de agave, han demostrado que estas plantas son
fuente natural de sapogeninas (hecogenina, smilagenina, tiogeninas), saponinas (clorogenina),
esteroles, terpenos, vitaminas y otros principios medicinales. En los aos 50 varias compaasfarmacuticas y el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA), cuantificaron el
contenido de sapogeninas en algunas especies, encontrndose niveles entre 0.5 y 4.5% en
especies comoA. vilmoriana, A. cerulata, A. lechuguilla, A. lophanta, A. colimaniyA. schidigera;
mientras que las especies con alto contenido de fibra como A. sisalana, A. fourcroydes y A.
angustifoliapresentan menor cantidad (de 0 a 0.5%; Gentry, 1998).
En la medicina tradicional mexicana, por ejemplo, se han hecho uso de A. lechuguilla como
antirreumtico, antiinflamatorio, desinfectante en mordeduras de vboras y remocin de cogulos
sanguneos;A. intermixta, se utiliza como antiartrtico, antituberculoso y anticarcingeno (Senz,
et al., 2000); las pencas deA. americanayA. salmianase utilizan como expectorante, cicatrizante,
diurtico, para dolores estomacales, cardiacos y escorbuto; A. vilmoriana se usa como
antiinflamatorio y antifngico, y de esta especie, recientemente, se caracterizaron dos esteroles
denominados agamensido y agavegenina (Jin et al., 2004). D. wheeleritambin presenta algunas
propiedades medicinales como antitusivo y en tratamientos de cefaleas (Gioanetto y Franco,
2004).
1.4.5. ELABORACIN DE BEBIDAS ALCOHLICAS
Las diversas variedades de agave encontradas en territorio mexicano, se han usado desde
tiempos inmemoriales en la elaboracin de bebidas alcohlicas. Los factores que afectan las
caractersticas de los agaves, como temperatura, humedad, ciclo natural y precipitacin pluvial,
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hacen que los productos obtenidos en cada regin sean de propiedades nicas (Iiguez-
Covarrubias et al., 2001a). De acuerdo al proceso, las bebidas alcohlicas pueden ser
fermentadas o destiladas.
1.4.5.1. BEBIDAS FERMENTADAS
El pulque es la bebida fermentada ms conocida. Algunos cdices mexicanos manifiestan que los
Aztecas elaboraban el pulque (octli) durante su migracin al Valle de Mxico entre 1172 y 1291
d.C. y era un componente importante en ritos religiosos y ceremoniales (Gentry, 1998). Esta
bebida se prepara de la savia que emana del agave, que al llegar a la madurez y antes de que
emerja la inflorescencia, se le hace una incisin. El drenado conocido como aguamiel es dulce y
cuando se fermenta, produce el pulque. Esta bebida se hace a partir de un nmero limitado de
especies como A.salmiana, A. mapisaga, A. atrovirens, A. hookeri y A. americana (Irish, 2000),cuyos jugos muchas veces son mezclados y fermentados por un complejo de levaduras y
bacterias (Bacterium, Lactobacillus, Leuconostoc, Pseudomonas, Streptococcus, Diplobacter,
Bacillus, Saccharomyces y Pichia, entre otros) que producen etanol y otros compuestos qumicos
que dan sabor y consistencia viscosa a la bebida (Gentry, 1998). El pulque es fuente importante
de hierro (hasta 1.1 mg/mL) y cido ascrbico (60 mg/L). Adicionalmente, en esta bebida se han
identificado riboflavina y otras vitaminas B (Tabla 2), as como saponinas biolgicamente activas
(Backstrand, et al., 2002).
1.4.5.2. BEBIDAS DESTILADAS
Dentro de las bebidas destiladas, destaca el tequila, smbolo de fusin cultural, pues fueron los
espaoles quienes a su arribo, introdujeron la prctica de destilacin al proceso de fermentacin
que ya practicaban las culturas prehispnicas (Mancilla-Margalli, 2000). Esta bebida ha pasado
por un proceso histrico, cultural, econmico, social y tecnolgico, hasta llegar a la actualidad en
la que se le considera como bebida representativa de Mxico, con reconocimiento mundial y
protegido por una denominacin de origen.
El tequila se produce exclusivamente con A. tequilanaWeber var. azul, cuyos tallos cortados en
mitad son cocidos y su jugo es extrado por desgarramiento de la pulpa. Si el tequila es mixto, se
le adiciona hasta un 49% de azcares de otras fuentes (caa o melaza) o solo los azcares
propios del agave si la bebida es 100%. Para la fermentacin, se inocula la levadura
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Saccharomyces cerevisiae (20 a 50 106 clulas/ mL) y posteriormente el mosto obtenido, es
destilado una primera vez (destrozamiento) en alambiques de cobre para separar las vinazas
(levaduras, azcares no fermentables, minerales, slidos) de otros compuestos, y una segunda
vez (rectificacin), para concentrar los alcoholes en el cuerpo del destilado (45 a 50 GL) y separar
las cabezas y colas. Este producto es envasado como tequila blanco o puede ser reposado en
barriles de roble blanco o encino por un ao o ms para producir respectivamente, el tequila
reposado o aejo (Cedeo, 1995; Bautista-Justo et al., 2001; Lpez y Dufour, 2001).
Otras bebidas alcohlicas provenientes del destilado de jugos de agaves fermentados, incluyen
mezcal, bacanora, sotol y, recientemente, henequn. El bacanora se produce en un lugar de
Sonora del cual deriva su nombre. A. angustifolia y A. palmeri son las especies que ms se
utilizan. Para la elaboracin del mezcal, las especies ms usadas son A. angustifolia, A.
potatorum, A. cantala y A. karwinskii. Por su parte, el sotol se produce principalmente enChihuahua a partir de plantas silvestres del gnero Dasylirion; mientras que, la produccin del
henequn se realiza a partir deA. fourcroydes.
Tabla 2.Composicin de aguamiel y pulque.
nr, no reportado. Los valores indicados corresponden a aquellos encontrados en una muestra.Datos tomados de Gentry, 1998.
Compuesto Aguamiel PulqueAgua (g/100 g) 94.0 98.3Cenizas (g/100 g) 0.4 0.2Protenas (g/100 g) 0.30 0.37Extracto no-nitrogenoso (g/100 g) 5.30 1.13
Ca (mg/100 g) 20 11P (mg/ 100 g) 9 6Fe (mg/100 g) nr 0.70Tiamina (mg/100 g) 0.02 0.02Riboflavina (mg/100 g) 0.03 0.03Niacina (mg/100 g) 0.40 0.35cido ascrbico (mg/100 g) 6.7 5.1N (g/100 mL) nr 0.14Lisina (g/100 mL) nr 16.2Triptofano (g/100 mL) nr 2.7Histidina (g/100 mL) nr 4.7Fenilalanina (g/100 mL) nr 11.2
Leucina (g/100 mL) nr 10.5Tirosina (g/100 mL) nr 6.4Metionina (g/100 mL) nr 0.7Valina (g/100 mL) nr 6.6Arginina (g/100 mL) nr 10.9
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El proceso de elaboracin de estas bebidas es similar al tequila (cosecha, cocimiento, molienda,
fermentacin, destilacin y envasado), pero el proceso de elaboracin es ms rudimentario. Las
pias se cocen en hornos rsticos consistentes en hoyos en el suelo cubiertos de carbn, piedras
refractarias y bagazo de pias. La molienda se realiza con una tahona, molino rstico que consiste
en una piedra plana redonda jalada por un caballo o por maceracin con un mazo de madera. A la
botella de mezcal generalmente se le adiciona un gusano (Hypopta agavis), que naturalmente
ataca a la planta, dndole un sabor distintivo a la bebida. Esta bebida est en un proceso de
crecimiento y consolidacin en el mercado nacional e internacional (Gentry, 1998). Actualmente se
reconoce con una denominacin de origen que autoriza a seis estados de la repblica para su
explotacin, incluyendo Oaxaca, Guerrero, Zacatecas, Durango, San Luis Potos y Tamaulipas.
Por otra parte, la gran aceptacin del sotol en la regin norte del pas, ha encaminado los
esfuerzos de industriales y productores para lograr la denominacin de origen de esa bebida endicha regin.
1.4.6. ELABORACIN DE EDULCORANTES FRUCTOSADOS
Un hecho importante de destacar, es el otorgamiento de una patente a investigadores de la
Universidad de Guadalajara, quienes desarrollaron un procedimiento para la produccin de
jarabes fructosados a partir de plantas de agave. Dicho proceso consiste en la aplicacin de una
inulinasa comercial (1 a 1.5 g/L) a un extracto de agave, rico en fructanos y libre de material slido.
La hidrlisis enzimtica de los fructanos se lleva a cabo de 4 a 5 h en un rango de temperatura de
40 a 50 C, produciendo un jarabe rico en fructosa. Este producto ha empezado a comercializarse
en tiendas naturistas de Mxico bajo el nombre de Naturel o Sweetrel (Figura 5) por la
Industrializadora Integral de Agave, S.A. de C.V. (productora de Tequila Orendain). Naturel es un
producto que presenta un 68% (w/v) de fructosa y 5% de glucosa (Lpez-Mungua, 2004), y
constituye una alternativa edulcorante saludable con algunas ventajas sobre la sacarosa.
1.4.7. UTILIZACIN DE BAGAZO
Durante la molienda de pias para la obtencin del jugo que ser fermentado, se genera el
bagazo, producto de desecho que representa hasta el 40% del peso de las pias. Este material
altamente fibroso, se deja en los campos o de manera emprica, se mezcla con arcilla en la
elaboracin de ladrillos o se seca al sol para la obtencin de material de empaque. Ante el
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reconocimiento internacional del tequila, la Universidad de Guadalajara, visionando un problema
ecolgico creciente, realiz una investigacin encaminada al uso de este material (Iiguez-
Covarrubias et al., 2001a y b). Se mostr que la alimentacin de borregos Pelibuey con una dieta
basada en bagazo de agave, tiene la misma eficiencia en ganancia de peso que el rastrojo de
maz comnmente utilizado, con la ventaja que el bagazo esta disponible cualquier poca del ao
(Iiguez-Covarrubias et al., 2001a). Por otra parte, tablas fabricadas con bagazo de agave, son
ms resistentes a la humedad que aquellas fabricadas de lamo, adems de presentar una
resistencia mecnica superior a lo establecido por las normas de calidad (Iiguez-Covarrubias et
al., 2001a). Tambin se ha ensayado el uso del bagazo en la elaboracin de aglomerados, billetes
bancarios, filtros, absorbentes, geotextiles y junto con la copra de coco para la elaboracin de
sustratos sin suelo en la siembra de cultivos como maz.
Figura 5. Edulcorante fructosado Naturel. Elaborado a partir de la hidrlisis de fructanos enagave, ofrece ventajas saludables sobre el consumo de sacarosa. Tomada de Lpez-Mungua,2004.
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1.4.8. PROPAGACIN in vitro
A pesar de la generacin de una gran cantidad de semillas durante la reproduccin sexual de los
agaves (de 7,000 a 30,000 semillas/inflorescencia), el gran porcentaje de depredacin y en
ocasiones las inadecuadas condiciones de germinacin, hacen que la manera ms comn de
propagacin de estas plantas sea asexual, a travs de hijuelos que son cortados por el hombre y
sembrados en nuevos campos. Esta manera de reproduccin pone en riesgo la variabilidad
gentica de estos cultivos (Gil-Vega et al., 2001) y los expone a una gran devastacin en el caso
de plagas o enfermedades.
Otro tipo de propagacin vegetativa es a travs de bulbillos, hijuelos pequeos que emergen del
quiote; sin embargo adems de su menor incidencia, tambin presentan bajos ndices de
supervivencia (Nikam et al., 2003). Una alternativa viable ha sido la propagacin in vitro, y
actualmente existen numerosos reportes en donde utilizando segmentos de tallos, rizomas,bulbillos, fragmentos de semillas, callos y explantes de hojas, han logrado la propagacin y
regeneracin de agaves de importancia comercial como A. sisalanao agaves amenazados como
A. victoria-reginae (Nikam et al., 2003). Aunque esta tcnica pone en riesgo la variabilidad
gentica de las plantas, entre sus ventajas destaca la obtencin de un gran nmero de plntulas
homogneas de caractersticas genotpicas deseables, aceleramiento de la propagacin
vegetativa, aseguramiento de la calidad y certificacin de que las plntulas que se llevan al campo
estn sanas. Esto ha sido de gran significancia en el caso de A. tequilana, que con la gran
demanda mundial del tequila a finales de los aos 90 propici escasez de plantas, aunado a que
las enfermedades propias del cultivo empezaban a devastar grandes extensiones de cultivo. El
reto de propagacin in vitro a nivel industrial fue superado con creces, produciendo 2 y 4.5
millones de plntulas en el 2002 y 2003, respectivamente. Actualmente, en el campo hay ms de
500 mil plantas de A. tequilana propagadas, con un desempeo agronmico sobresaliente,
superando incluso, al mejor material de siembra tradicional (Bosch-Guha, 2004).
La propagacin in vitrode A. fourcroydestambin logr rendimientos superiores a la propagacin
por rizomas; los agaves crecen ms rpido y producen mayor cantidad de hojas grandes (Herrera
et al., 2004). Para A. potatorum, A. cupreata y A. parrasana, la propagacin in vitro es
especialmente valiosa, ya que estas plantas no forman rizomas y su reproduccin sexual o por
bulbillos es ineficiente (Santacruz-Ruvalcaba et al., 1999; Salazar et al., 2004).
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1.5. INFLUENCIA DE LA ZONA GEOGRFICA EN LOS AGAVES
El rendimiento de los agaves, el tiempo en que llegan a su madurez, contenido de carbohidratos y
sus caractersticas morfolgicas, son altamente influenciadas por factores abiticos como tipo de
suelo, temperatura, humedad y elevacin. En algunos agaves comoA. deserti,A. salmiana(Nobel
y Meyer, 1985),A.lechuguilla(Nobel y Quero, 1986) yA. tequilana(Ruiz-Corral et al., 2002), se ha
determinado un valor denominado ndice productivo medioambiental (EPI), que correlaciona tres
factores ambientales: estatus hdrico, temperatura y radiacin fotosintticamente activa (PAR) con
la fijacin de CO2por parte de la planta, medida como ganancia en peso seco (donde un valor de
1 indica condiciones no limitantes (Figura 6).
EnA. lechuguillase observ que el EPI tiene una mayor relacin con el estatus hdrico del suelo
(r2=0.97), seguido del ndice PAR (r2= 0.25) y que la temperatura no tiene efecto (r2=0.00) sobre
la productividad. Un valor EPI de 0.38 kg m2 ao-1para esta especie sembrada en campo, esbajo comparado con cultivos agrcolas de alto rendimiento como trigo y maz (1-2 kg m2ao-1);
sin embargo, este valor es cuatro veces mayor cuando se compara con otras plantas que viven en
ecosistemas desrticos (0.1 kg m2ao-1) (Nobel y Meyer, 1985). La medicin mensual del EPI
se correlaciona con el nmero mensual de hojas nuevas y estima la productividad de la planta
(Figura 6D y Tabla 3) (Quero y Nobel, 1987), pudiendo dar una idea confiable sobre los meses
mas favorables para la cosecha y factores ambientales que influyen sobre dicha productividad
(Nobel, 1984).
Tabla 3. Productividad anual de agaves y otras plantas CAM.
Especie Productividad(kg/m-2ao-1)
A. deserti 1.06A. fourcroydes 1.60*A. salmiana 1.05A. lechuguilla 0.38Opuntia ficus-indica 1.36*
Ananas comosus 1.2*
*, productividad reportada en cultivos comerciales bajo condiciones donde el agua no es factorlimitante. Para efectos de comparacin, se reporta un rango de productividad de 3 a 7 kg/m 2/aoen cultivos como alfalfa, caa y de 1 a 2 kg/m2/ao para trigo y maz en condiciones no limitantes.Datos tomados de Nobel y Meyer, 1985.
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Figura 6. Influencia de factores abiticos en la asimilacin de CO2 en A. lechuguilla.Recuadros sombreados indican tiempo de oscuridad (noche)., potencial hdrico. A) Estatushdrico: las plantas fueron regadas semanalmente (--, suelo -0.5 MPa) o sometidas a sequa(suelo
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que la actividad fotosinttica se favorece con un bajo ndice PAR, bajo contenido de humedad en
el suelo y temperaturas nocturnas frescas (12 a 16 C). En base a lo anterior se estableci para el
estado de Jalisco, regiones ptimas, subptimas y marginales para este cultivo (Figura 8 y Tabla
4), considerndose como ptimas, regiones con una elevacin entre 1100 y 2800 msnm y climas
subtropical templado y subtropical semiclido (Ruiz-Corral et al., 2002). A. tequilanacultivado en
zonas ptimas y manejo agrcola adecuado, presenta tasas de fotosntesis comparable a plantas
C3 y C4 (921 mmol CO2m-2 da-1en clima subtropical templado y 763 mmol CO2 m-2 da-1en clima
subtropical semiclido), pero con una menor velocidad de transpiracin. Esto no slo significa
mayor cantidad de CO2 fijado, sino que un aumento en la superficie cultivada con esta planta
puede representar efectos ecolgicos benficos, dada su capacidad de secuestrar carbono, en
tiempos de larga sequa cuando pocas plantas con metabolismo C3 o C4 lo pueden hacer
(Pimienta-Barrios et al., 2001 y 2004).
Figura 7. Influencia de la temperatura en la asimilacin de CO2enA. tequilana. La fijacin deCO2fue negativa en la mayor parte del da, incrementndose al final del da. La fijacin mximanocturna fue de 17 mol m-2 s-1(267 mmol m-2 d-1) para plantas en un rgimen de temperatura de25C/15C, 14 mol m-2 s-1(298 mmo m-2 d-1) en temperaturas de 15C/5C y slo 6 mol m-2 s-1(84 mmol m-2 d-1) cuando las plantas tienen ciclos de 35C/25C. Modificada de Nobel et al., 1998.
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Figura 8. reas ptimas, subptimas y marginales para el cultivo de A. tequilana en elestado de Jalisco. Se indica el rea potencial para el cultivo de esta planta, que corresponde acasi 10 veces el rea cultivada actualmente. Los municipios valorados son indicados en losnmeros superiores. Tomada de Ruz-Corral et al., 2002.
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1.6. ADAPTACIN DE LOS AGAVES
El adjetivo noble o admirable con que Linneo describi a las plantas de agave, refiere a su
capacidad para crecer en ambientes hostiles y soportar temperaturas extremas, que van desde -
20C hasta ms de 38C (Tabla 5). Esta capacidad puede ser resultado de las adaptaciones
morfolgicas y fisiolgicas que presentan estas plantas.
Tabla 4. Rangos de temperatura para el cultivo deA. tequilanaen Jalisco.Variable ptima Subptima Marginal
Temperatura nocturna (C) 10 a 16 5 a 10 16 a 25 25
Temperatura diurna (C) 15 a 25 10 a 15 25 a 35 35
Probabilidad de heladas < 0.10 - >0.10
Tomada de Ruz-Corral et al., 2002.
Tabla 5.Tolerancia de agaves y dasylirion a fro extremo.Especie Temperatura Especie Temperatura
A. americana - 9 C A. parryi - 29 CA. angustifolia - 4 C A. parviflora - 12 CA. attenuata - 2 C A. pelona - 7 CA. bovicornuta - 7 C A. salmiana - 15 CA. cerulata - 12 C A. scabra - 12 CA. chrysantha - 8 C A. schidigera - 9 CA. datylio - 4 C A. schotti - 12 C
A. deserti - 9 C A. shawii - 4 CA. desmettiana - 4 C A. sisalana - 4 CA. filifera - 8 C A. striata - 9 CA. fourcroydes - 4 C A. tequilana - 4 CA. geminiflora - 4 C A. toumeyana - 12 CA. havardiana - 23 C A. utahensis - 23 CA. lechuguilla - 18 C A. victoriae-reginae - 12 CA. lophantha - 12 C A. vilmoriana - 6 CA. macrocantha - 4 C A. weberi - 11 CA. marmorata - 4 C A. zebra - 7 CA. murpheyi - 12 C D. acrotriche - 9 CA. neomexicana - 29 C D. leiophyllum - 18 CA. ocahui - 9 C D. quadrangulatum - 9 CA. palmeri - 12 C D. texanum - 15 CA. parrasana - 9 C D. wheeleri - 18 C
Tomada de Irish, 2000.
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1.6.1. ADAPTACIN MORFOLGICA
1.6.1.1. HOJAS
La suculencia de sus pencas es una de las caractersticas ms peculiares de los agaves; stas
contienen un parnquima esponjoso especializado de paredes delgadas, gran cantidad de
cloroplastos y vacuolas prominentes. Estas clulas almacenan agua y ayudan a amortiguar los
cambios de disponibilidad de agua en el suelo. Por su gran capacidad de almacenamiento, la
longevidad de las pencas (hasta 15 aos o muchas veces durante toda la vida de la planta) le
confiere al agave la ventaja de contener suficientes provisiones para el florecimiento (Irish, 2000).
La proporcin volumen:rea foliar es un ndice til que indica la capacidad de almacenar agua en
las hojas; pencas con gran volumen y pequea rea foliar tienen ms agua disponible para la
transpiracin. As, el distintivo tamao de los agaves influye en el uso eficiente de agua (ganancia
de peso seco por unidad de transpiracin) que finalmente afecta su distribucin: los agaves demayor tamao se encuentran en la regin sur-centro de Mxico, zona con mayor humedad que la
regin norte (Woodhouse et al., 1983; Linton y Nobel, 2001).
Por otra parte, la disposicin en roseta de las hojas, le permiten a los agaves colectar el agua de
lluvia hacia el tallo; adems que la sombra formada por las mismas, reduce la evaporacin y
protege el rgano floral (Gentry, 1998). El nmero de estomas en la epidermis es 10 veces inferior
a las dicotiledneas e incluso a otras monocotiledneas. Aunque esto disminuye la frecuencia de
intercambio gaseoso, tambin decrece la prdida de agua por transpiracin (Nobel, 1988). La
cutcula cerosa que cubre las pencas, es otra adaptacin para prevenir la prdida excesiva de
agua. Otro tipo de adaptacin morfolgica de los agaves es el pequeo dimetro de sus vasos
conductores y su baja densidad en las hojas, confirindole la caracterstica de baja conductancia
hidrulica (Kh) (6 mmol m-2 da-1enA. desertivs33-94 mmol m-2 da-1en rboles leosos) y mayor
susceptibilidad a la cavitacin, es decir, al bloqueo de los vasos del xilema con aire o vapor de
agua. Este fenmeno disminuye la Khy el potencial hdrico de la planta, que finalmente provoca el
cierre estomatal y disminucin en la prdida de agua (Linton y Nobel, 2001). En un experimento de
estrs hdrico por 100 das en A. tequilana y A. deserti, se evidenci que la primera es ms
susceptible a la cavitacin (Tabla 6), observada como un mayor decremento en la Kh. Esto fue
explicado por una menor proporcin volumen:rea foliar (2.3 vs3.3), traducido como hojas ms
delgadas, mayor velocidad de transpiracin y un subsecuente decremento mayor de su potencial
hdrico foliar (foliar). Como en otras especies, en este caso tambin existe una correlacin entre la
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Tabla 6. Susceptibilidad a la cavitacin deA. tequilanayA. desertisometidos a 100 das desequa.Sequa(das)
1suelo(MPa)
foliar(MPa)
A.tequilana
Decrementoen 2Kh (%)
A. tequilana
Transpiracin(mol m-2da-1)A. tequilana
foliar(MPa)
A. deserti
Decrementoen Kh (%)
A. deserti
Transpiracin(mol m-2da-1)A. deserti
0 -0.02 -0.58 0 11.6 -0.64 0 6.220 3nr -0.76 10 2.4 -0.76 2 1.640 Nr -1.62 43 0.8 -0.83 nr 0.560 Nr -2.28 60 nd -1.09 21 4nd80 Nr -2.90 84 0.4 -1.58 32 0.4
100 -4.00 -3.42 85 0.3 -1.96 41 0.31, potencial hdrico; 2Kh, conductancia hidrulica foliar; 3nr, no reportado; 4nd, no determinado..Datos tomados de Linton y Nobel, 2001.
vulnerabilidad a la cavitacin, tolerancia a sequa y caractersticas ambientales: A. deserti es
predominante en el noreste del desierto de Sonora con un promedio pluvial anual de 240 mm,mientras queA. tequilanaen la regin de Jalisco, recibe un promedio anual de 1000 mm (Linton y
Nobel, 2001).
1.6.1.2. RACES
Las caractersticas de las races en los agaves tambin resultan de importancia para la
supervivencia de estas especies en lugares secos. Sus clulas epidermales contienen un
parnquima lignificado que reduce la prdida de agua (Palta y Nobel, 1989). Aunque menos
estudiada, la morfologa de la raz de Dasylirion, tambin se ha observado en estas especies, un
sistema radicular fibroso con una endodermis esclerificada rodeada por una corteza gruesa de
clulas parenquimatosas. Las plantas jvenes presentan de 2 a 3 races fusiformes contrctiles,
mientras que las mayores presentan un sistema radicular densamente disperso (Bogler, 1995).
Al igual que otras plantas desrticas perennes, y en una estrategia para eficientar la presencia de
agua, cuando hay indicios de humedad en el suelo, A..deserti produce races finas (races de
lluvia) en forma de ramificaciones sobre un sistema radicular establecido. Estas races de lluvia
incrementan el rea de absorcin y la captura de agua y nutrientes, haciendo un contacto efectivode suelo-raz. Sin embargo, durante sequas, el potencial hdrico del suelo decrece por debajo del
de las races y las races de agua son eliminadas, probablemente por un costo respiratorio y
conductividad hidrulica mayor a las races establecidas (Figura 9).
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Figura 9. Cambios en la velocidad de respiracin durante sequa en races de lluvia yestablecidas en A. deserti.Smbolos blancos indican la velocidad medida durante el da y lossmbolos oscuros denotan los datos obtenidos durante la noche. En condiciones iniciales, lavelocidad de respiracin para las races establecidas fue de 2.15 mol CO2kg-1s-1y 4.55 molCO2 kg-1s-1durante la noche y el da, respectivamente; mientras que para las races de lluvia fuede 6.20 mol CO2 kg-1 s-1 y 14.5 mol CO2 kg-1 s-1para la noche y el da respectivamente. Seobserv un decremento mayor y ms rpido en las races de lluvia alcanzando un valor 0 a los 6
das (suelo= -0.9 MPa), condicin que solo caus una reduccin en la respiracin para las racesestablecidas. Modificada de Palta y Nobel, 1989.
El encogimiento de las pequeas races en sequa provoca en el suelo huecos que disminuyen la
conductividad hidrulica y aumenta la resistencia de la raz a movimientos de agua (hasta 100
veces, segn clculos) (Schulte y Nobel, 1989). Las races de lluvia, adems, no se recuperan
despus de una rehidratacin, probablemente por diferencias en la presin osmtica y una menor
conductividad hidrulica de las races establecidas que son capaces de mantener una respiracin
basal asuelo= -1.3 MPa. Esto minimiza la prdida de agua y ayuda a prevenir la muerte de las
races establecidas, cuya recuperacin es completa despus de que cesa la sequa (Palta y Nobel,
1989).
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1.6.1.3. TALLO
Durante tiempos de sequas severas, los tallos llegan a encogerse, provocando delgadas fisuras
en el suelo alrededor de la base de la planta. Esto incrementa la utilidad de la forma de roseta al
canalizar el agua cuando llueve (Irish, 2000).
1.6.2. ADAPTACIN FISIOLGICA
1.6.2.1. METABOLISMO CIDO DE LAS CRASSULACEAS (CAM)
Indudablemente uno de los factores fisiolgicos de mayor importancia para el desarrollo de los
agaves en ambientes ridos, es el uso del metabolismo fotosinttico del cido de las crassulaceas,
conocido como metabolismo CAM. Tan notable caracterstica fue descrita para A. americana a
finales de los 60 (Iiguez-Covarrubias et al., 2001). Parte de los resultados reportados por Ehrler
(1969) se muestran en la Figura 10 y Tabla 7, donde se compara el comportamiento fisiolgico delmaz y A. americana, y se evidencia que esta especie sigue un patrn tpico de plantas con
metabolismo CAM.
Figura 10. Diferencia de temperatura entre el rea foliar (de maz o agave) y el airecircundante. Los recuadros indican tiempo de oscuridad en la medicin realizada en invernadero.La diferencia de temperatura durante el da marca una respuesta distinta de ambas plantas a unamisma condicin ambiental. Durante la noche, la menor diferencia de temperatura entre las hojasde agave y el aire, indica una apertura estomatal nocturna. Modificado de Ehrler, 1969.
-4
-2
0
2
4
6
8
10
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 24.00
Hora
DiferenciadeTemperatura(C)
Agave americana
Zea mays
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Tabla 7. Comparacin de parmetros fisiolgicos de Zea maysyAgave americana.Zea mays Agave americana
Transpiracin (g m-2h-1) 5.96 90.0 30.0 14.6Resistencia foliar a difusin (scm-1)
93.0 7.1 17.1 239.0
Frecuencia estomatal(estomas cm-2)
Epidermisinferior9247
Epidermissuperior
5077
Epidermisinferior3717
Epidermissuperior
4850Prdida de agua (g)* 9407 2228Ganancia de peso seco (g)* 69.4 34.4Eficiencia de uso de agua(ganancia enpeso/transpiracin)*
0.007 0.015
El patrn de transpiracin y resistencia foliar es inverso en ambas especies, indicando un tiempode apertura estomatal diferente. Los valores indican el promedio de la medicin de tres plantasindependientes. El smbolo * representa la medicin en un perodo de 10 semanas. El cuadro
rayado indica tiempo de oscuridad. Modificado de Ehrler, 1969.
En contraste al metabolismo C3 y C4, las plantas CAM reducen la prdida de agua por
transpiracin, al abrir los estomas para la asimilacin de CO2 durante la noche, cuando la
diferencia de concentracin de vapor de agua entre el tejido foliar y el ambiente circundante es
menor (Lpez et al., 2003). La prdida de agua por parte de la planta sucede a una velocidad dos
veces mayor que la toma de agua; sin embargo, se alcanza un balance positivo porque la prdida
de agua por transpiracin sucede por la noche, mientras que la toma de agua a travs de las
races ocurre durante las 24 h del da (Nobel, 1997).
1.6.2.2. BIOQUMICA DEL METABOLISMO CIDO DE LAS CRASSULACEAS (CAM)
En general, el metabolismo CAM se caracteriza por una movilizacin masiva de carbohidratos
durante el perodo de oscuridad (Figura 11), que a travs de la gliclisis produce fosfoenolpiruvato
(PEP). Este compuesto se carboxila por la fosfoenolpiruvato-carboxilasa (PEPC, E.C. 4.1.1.31)
usando bicarbonato (HCO3-) como sustrato (Trpodi y Podest, 1997). El oxaloacetato formado de
esta reaccin, se reduce rpidamente a malato por una NAD(P)-malato deshidrogenasa de origen
citoslico y/o mitocondrial (Hopkins, 1995). El malato-2 formado se mueve pasivamente hacia lavacuola a travs de un canal especfico, acoplado a un transporte activo de protones (una bomba
H+-ATPasa vacuolar) (Dood et al., 2002). En A. deserti la acumulacin nocturna de cidos en la
vacuola del clornquima, aumenta el potencial osmtico y genera un gradiente que favorece la
adquisicin de agua por el tejido parenquimatoso.
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Figura 11. Metabolismo cido de las crasulceas. Durante el perodo de oscuridad, los estomasabiertos permiten la asimilacin de CO2mediante la produccin de malato que es almacenado enla vacuola. Durante el da, el cierre de los estomas reduce la prdida de agua, mientras que elmalato es descarboxilado y fosforilado en el citoplasma para la sntesis de carbohidratos en elciclo de Calvin. T-P, triosa-fosfato; OAA, cido oxalactico; MAL, malato; PEP, fosfoenolpiruvato;
PYR, piruvato; a, PEP-carboxilasa; b, malato deshidrogenasa; c, enzima descarboxilasa.Modificado de Hopkins, 1995.
Existe la controversia, si estos cambios osmticos son suficientes para la adquisicin de agua del
suelo; sin embargo, son significativos para mantener el turgor de las clulas del clornquima y la
apertura de los estomas durante tiempos de sequa (Schulte y Nobel, 1989). La actividad de la
PEPC es regulada por una fosforilacin reversible a un residuo de serina mediada por la PEP
carboxilasa cinasa (PPCK), cuya expresin responde a un ritmo circadiano o al estatus de carbono
indicado por la concentracin de ma
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