REVISIÓN 2012

Título:

La biofortificación, estrategia prometedora para aumentar el contenido de Fe y Zn en los cultivos de alimentos básicos

Resumen

Introducción

Contenido:

1. El papel esencial del hierro y zinc en las plantas.2. Red compleja de regulación de hierro y zinc en las plantas: el control de

los mecanismos de captación y distribución.3. Los avances para mejorar los contenidos de hierro y zinc en los cultivos

mediante estrategias de biofortificación.4. Impacto de la biofortificación con Fe y Zn en la nutrición Humana y

salud. Biofortificación con Hierro y zinc como un programa de salud y nutrición pública.

Conclusiones

Referencias

Resumen

Las deficiencias de micronutrientes se han incrementado en las últimas décadas debido a una disminución generalizada en la calidad de la dieta de las personas de escasos recursos, tanto en los países desarrollados y en desarrollo. Las deficiencias de hierro (Fe) y zinc (Zn) son problemas críticos de salud pública en todo el mundo, con un impacto negativo en la salud, la esperanza de vida y la productividad. La biofortificación es una iniciativa agrícola que puede mejorar la nutrición humana a escala global. La Biofortificación Agronómica es considerada una estrategia complementaria a corto plazo, ya que los análisis económicos sugieren que la biofortificación genética es la estrategia más eficaz para aumentar la ingesta diaria de Fe y Zn de las poblaciones vulnerables. El enriquecimiento de los cereales por medio de cruzas es un área de alta prioridad de la investigación, y una estrategia eficaz para la fortificación, suplementación y diversificación de alimentos. Esta revisión examina el papel del Fe y Zn en la nutrición de las plantas, las estrategias potenciales para el desarrollo de cultivos biofortificados con Fe y Zn y su importancia en la nutrición humana.

Introducción

Anemia por deficiencia de Fe y la deficiencia de Zn es el principal problema de salud pública en todo el mundo y los bebés y los niños son especialmente vulnerables. La causa principal de la malnutrición es una dieta de baja calidad, principalmente carente de productos de origen animal. En consecuencia, las poblaciones que consumen pocos alimentos de origen animal puede sufrir de una alta prevalencia de varias carencias de micronutrientes (T et al, 2010; M KS et al, 2012). Al mismo tiempo, la proporción de la población mundial que sufre de malnutrición de micronutrientes (MMN) ha aumentado porque el fitomejoramiento moderno ha sido históricamente orientado hacia altos rendimientos agronómicos en lugar de la calidad nutricional, produciendo una menor densidad de minerales en muchos cultivos (MS, 2006 ; M et al, 2012).

El círculo vicioso entre la desnutrición y la pobreza sostiene MMN en la mayoría de los países en desarrollo. Se ha indicado que 4,5 millones de personas en todo el mundo están afectadas por las deficiencias de Fe, vitamina A y yodo; El Zn es cada vez mas preocupante. La MMN disminuye la motivación y el desarrollo, por consiguiente pérdida de la capacidad mental y cognitiva, que finalmente reduce la productividad y el potencial de sociedades enteras (M KS et al, 2012).

El Fe y Zn son elementos esenciales para una salud humana óptima, siendo necesarios para la actividad de muchas enzimas implicadas en las principales vías metabólicas. Estudios de intervención dietética para mejorar la nutrición de Zn y Fe se han llevado a cabo por algunos programas internacionales, encontrándose beneficios significativos a través de iniciativas tales como la suplementación, fortificación, la diversificación alimentaria y la biofortificación. La fortificación ha jugado un papel importante ante la desnutrición, pero es muy dependiente del financiamiento y se limita a las áreas urbanas. Por el contrario, la biofortificación se considera una de las estrategias más prominentes por medio de la cual se pueden incrementar los niveles de micronutrientes en cultivos. Sin embargo, para biofortificar plantas es necesaria una clara comprensión molecular de la homeostasis de micronutrientes. Hoy en día, la falta de conocimiento acerca de este mecanismo es un obstáculo importante en la elaboración de estrategias para la biofortificación (W et al, 2008; LG et al, 2012).

La Biofortificación genética y agronómica representan enfoques agrícolas complementarios. Se considera que la aplicación de fertilizantes de Zn y Fe es una solución a corto plazo y complementaria al fitomejoramiento. Los datos publicados proporcionan pruebas convincentes de que las aplicaciones al suelo y foliar de fertilizantes especialmente Zn son eficaces en la mejora los niveles de Zn en granos. Por el contrario, fertilizaciones al suelo y foliares de Fe son menos eficaces que la fertilización de Zn en el enriquecimiento de granos; la fertilización con Fe se complica cuando se aplica regularmente, por ser caro y peligroso para el medio ambiente. Además, parece que la mejora del estado nutricional en plantas con nitrógeno promueve la acumulación de Fe y Zn en grano (C, 2010; WB, 2011; M et al, 2012; S et al, 2012).

Hasta ahora, la biofortificación genética ofrece una manera sostenible y de bajo costo para proporcionar micronutrientes a los habitantes de los países en desarrollo. El desarrollo de cultivos alimentos ricos en cultivos de alimentos básicos es de hecho el objetivo principal de consorcios internacionales diferentes, que tienen por objeto reducir MNM a través de programas de biofortificación diferentes. Cría nuevos genotipos de plantas para las concentraciones de granos altos de Fe y Zn es la estrategia más costo-efectiva. Una amplia gama de Fe y Zn en los granos de los principales cultivos se ha asociado con la variación genotípica. Esta variabilidad se explota a través de programas de cría para producir Fe y Zn-ricas variedades de cultivos. Además, esta información se complementa con información sobre la retención después de la transformación, la biodisponibilidad de la dieta, consumir por día, y la cantidad necesaria de alimento de las plantas que tienen efectos mensurables sobre el estado de los nutrientes (BP, 2010; C, 2010; Banco Mundial, 2011; M et al, 2012). En consecuencia, la

mayor parte del trabajo que se está haciendo para biofortificar alimentos básicos se basa en técnicas de fitomejoramiento. Sólo para aquellos micronutrientes que no pueden ser incrementados por métodos convencionales, algunas organizaciones están llevando a cabo una investigación preliminar para determinar que papel que pueden desempeñar los transgénicos en el mejoramiento de los cultivos biofortificados.

En humanos, las causas de MNM variar significativamente durante las diferentes etapas de la vida, de acuerdo con el nivel socioeconómico, pero estas diferencias también están relacionados con componentes de la dieta. La ingesta dietética, así como otros componentes de la dieta que influyen en la absorción de micronutrientes de los alimentos, son los inhibidores y potenciadores, que juega un papel más importante que, el que hace el contenido de la dieta. La Biodisponibilidad Fe y Zn se puede mejorar mediante el aumento de los factores dietéticos que mejoran la absorción, por disminución de los factores que inhiben la absorción, o aumentando el contenido de micronutrientes de la dieta (W, 1998; SH, 2012).

La disminución en la deficiencia de Fe se ha realizado principalmente a través de la fortificación de alimentos y los programas de suplementación. Aunque estas estrategias han estado en vigor durante muchos años, los enfoques basados en los alimentos para mejorar el contenido de Fe en la población se consideran más viables (B et al, 2009, S et al, 2010; G, 2012; BG, 2012). Respecto al Zn, existe buena evidencia que apoya el impacto benéfico de estas estrategias, especialmente suplementos de zinc a los niños de los países en desarrollo. Sin embargo, se necesita investigación adicional para determinar el impacto de la fortificación con Zn, esto ha sido bastante limitado y restringido a las formulas de leches infantiles, alimentos complementarios y cereales para el desayuno (A et al, 2006; HB, 2009). Sin embargo, tal como Fe, muchos análisis económicos sugieren que las estrategias de genética hacia la biofortificación Zn son la estrategia más eficaz práctica, duradera y rentable para aumentar la ingesta de Zn de las poblaciones vulnerables (B et al, 2009; W y B, 2011, G, 2012). En general, para combatir la MNM es prioritario el estudio de los factores de biodisponibilidad que dependen del consumo de carne, verduras, alimentos procesados, alimentos fortificados y alimentos biofortificados (HE, 2010).

Esta revisión describe el papel del Fe y Zn en las plantas y la nutrición humana. Prestando especial atención a la importancia de la vía molecular que dirige la ruta específica de la homeostasis de micronutrientes, las estrategias para producir cultivos ricos en Fe y Zn por medio de la biofortificación, y la importancia de aumentar sus niveles biodisponibles en la población a través de la dieta.

1. El papel esencial de hierro y zinc en plantas

Se definen dos criterios para que un elemento sea esencial para el crecimiento de las plantas: la planta es incapaz de completar un ciclo de vida normal en ausencia del elemento o cuando el elemento es parte de un constituyente esencial o metabolito de la planta (E, 1972; BP, 2007). En la clasificación tradicional de nutrientes y elementos benéficos, el hierro (Fe) y zinc (Zn) están incluidos en la categoría de micronutrientes esenciales para los sistemas biológicos (M, 1995; HS, 2003).

Hierro

Al igual que otros organismos, las plantas requieren Fe para completar su ciclo de vida. Este micronutriente existe en varios estados redox, fácilmente aceptar y donar electrones, que le permite servir como un cofactor para varias proteínas de la planta que participan en las vías metabólicas cruciales. La función de Fe se basa principalmente en la reacción reversible redox de Fe2+ (ferroso) y Fe3+ (férrico) iones de hierro, su capacidad para formar complejos octaédricos con varios ligandos y su capacidad para variar el potencial redox en respuesta a ligandos diferentes del entorno . Este potencial redox (Fe2+ / Fe3+) permite su uso, en la forma de grupos hemo o Sulfato de Fe, en un número de proteínas complejas, especialmente aquellas involucradas en la transferencia de electrones (HS, 2003; CB, 2003).

El Fe se utiliza como un cofactor en tres formas principales: Sulfato de Fe (con cinco subtipos en las plantas), en el anillo de porfirina de hemo y siro-hemo, y como Fe no-hemo (P et al, 2009). En las plantas, este metal se requiere principalmente para proceso crucial tales como fotosíntesis, la respiración, la asimilación de sulfato, la síntesis de hormonas, fijación de nitrógeno, así como la síntesis y reparación del ADN (K et al, 2011; PG, 2009). Por ejemplo, el Fe juega un papel clave en la síntesis de clorofila, etileno, en la construcción de la pared celular, y constituye el grupo hemo del complejo Fe-porfirina (HA, 2011).

Sin embargo, el Fe es tóxico en exceso ya que tanto el Fe2+ y Fe3+ puede actuar como catalizadores en la formación de especies nocivas de oxígeno reactivo (ROS), que son potentes agentes oxidantes que pueden dañar el ADN, proteínas y lípidos. Por lo tanto, la homeostasis de Fe en todo el organismo debe ser equilibrada para suministrar suficiente Fe para el metabolismo celular y para evitar niveles tóxicos (CB, 2003; K et al, 2011). La deficiencia de Fe se caracteriza por una clorosis intervenal y lesiones necróticas que aparecen en deficiencia aguda, pero el Fe se convierte en tóxico en concentraciones elevadas y causa estrés oxidativo en plantas (HA, 2011).

Debido a que el Fe representa uno de los metales más versátiles en biología con numerosas funciones celulares, su deficiencia representa uno de los problemas más graves en todo el mundo (HS, 2003). Esta función esencial de Fe se evidencia por los trastornos que promueve su deficiencia, incluyendo los dos problemas principales, tales como la anemia grave en mamíferos o clorosis en las plantas (CB, 2003).

Zinc

Después del Fe, el Zn es el segundo metal intracelular más abundante. El Zn es un micronutriente esencial, necesario tanto para los animales y las plantas, debido a que es un constituyente estructural de las proteínas o co-factor regulador de enzimas que están implicadas en muchas vías bioquímicas (A, 2009).

El papel principal del Zn está en la síntesis de proteínas y el metabolismo. Se requiere para la estructura y función de una amplia gama de proteínas, donde se sabe que son un componente integral de numerosas metaloenzimas, proteínas estructurales y factores de transcripción (Z et al, 2007). Por ejemplo, muchas proteínas contienen Zn grupos prostéticos (por ejemplo, el dedo de zinc, zinc giro) y alrededor de 300 enzimas requieren zinc como cofactor (G et al, 2010; L et al, 2011). En realidad, Zn es el único metal representado en las seis clases de enzimas: oxido reductasas, transferasas, hidrolasas, liasas, isomerasas y ligasas (B et al, 2006). Además, se ha estimado que varias proteínas son capaces de unirse al Zn y algunas de estas proteínas de unión a Zn son factores de transcripción necesarios para la regulación de genes (A et al, 2006). Muchas células secretan Zn como una molécula de señalización, incluyendo células de los sistemas inmunitario y nervioso (G et al, 2010). Zn también es necesario para la integridad estructural y funcional de las membranas biológicas y para la desintoxicación de radicales libres muy agresivos (C, 2000).

En plantas, enzimas ya sea que contengan o se activen por Zn se han encontrado implicadas en mecanismos tales como la respiración, la fotosíntesis y la biosíntesis de las hormonas vegetales (M, 1995; T et al, 2011). El Zn está implicado en la regulación y el mantenimiento de la expresión de genes necesarios para la tolerancia de estrés ambiental en las plantas, tales como la alta intensidad de luz y las altas temperaturas (C, 2000; BM, 2010). Además, este micronutriente juega un papel importante en la producción de biomasa y los procesos de fertilidad (C, 2008). Como activador de la SOD (superóxido dismutasa), el Zn está implicado en la protección de las membranas contra el daño oxidativo a través de la detoxificación de especies de oxígeno reactivo (C, 2008; BM, 2010).

A pesar de su importancia, el Zn causa toxicidad cuando se acumulan en exceso en el tejido de la planta, produciendo la inhibición de crecimiento de la raíz,

la disminución de la tasa fotosintética y clorosis. Sin embargo, cuando las concentraciones de Zn en hoja se acercan a un nivel toxico (300 mg kg-1 de tejido seco) se produce necrosis de las hojas y la muerte de la planta (C, 1993; M, 1995; HA, 2011).

En general, la deficiencia de Zn es un problema bien documentado en los cultivos, causa disminución de los rendimientos y de la calidad nutricional. Por lo tanto, es común que las regiones con suelos con deficiencia de Zn, se caracterizan por la deficiencia de Zn generalizada en seres humanos (C, 2007). La deficiencia de Zn ocupa el quinto lugar entre los factores de riesgo más importantes para la salud en los países en desarrollo, y la undécima en todo el mundo; también, es tan importante como las deficiencias de Fe y vitamina A. Casi dos millones de personas están en riesgo por deficiencia de Zn, en su mayor parte niños y mujeres embarazadas. El mineral parece ser particularmente importante durante los períodos de rápido crecimiento; por otro lado, la ingesta insuficiente de Zn durante la infancia y la adolescencia puede retrasar el desarrollo del crecimiento, desarrollo sexual y psicomotor (P et al, 2008; GG et al, 2010).

2. Compleja red de regulación de Fe y Zn en plantas: el control de los mecanismos de captación y distribución

Aunque los minerales esenciales son generalmente abundantes en suelos, existen principalmente en formas que no son fácilmente disponibles para las plantas. Para completar la necesidad mineral y evitar sus posibles efectos tóxicos, las plantas han desarrollado una compleja red reguladora que controla la homeostasis mineral. El conocimiento del mecanismo molecular que dirige los pasos específicos de la red homeostática mineral es todavía rudimentario, pero a aumentando rápidamente. Esta información se espera que mejore el rendimiento del cultivo, el valor nutricional de los cultivos y la seguridad alimentaria, que son los aspectos de mayor preocupación a nivel mundial (G et al, 2006). Hoy en día, la falta de conocimiento acerca de estos mecanismos implicados en la homeostasis mineral es un obstáculo importante en la elaboración de modelos para la biofortificación: la ingeniería genética de los cultivos básicos adicionales para acumular nutrientes biodisponibles en las partes comestibles (W et al, 2008).

"Homeostasis Metal" es una característica de un organismo que regula su medio ambiente interno de metal (concentración de metal celular y de orgánulos) con el fin de mantener una condición estable y constante (HA, 2011). Este proceso se basa en mecanismos bien controlados de absorción del metal, la translocación, la redistribución y el secuestro. En general, las estrategias de plantas para facilitar la absorción del metal incluyen la modificación del ambiente para aumentar la biodisponibilidad, la regulación hacia arriba de los transportadores de alta afinidad

y la activación de las vías intra-celular e inter-celulares para su posterior distribución. Bajo el exceso de metal, la absorción de metales no específica del suelo parece ser inevitable y plantas de activar los mecanismos de quelación y la compartimentación intracelular (PP, 2009).

La regulación de la homeostasis del metal es en gran parte mediada por los transportadores de la membrana. En muchos casos, el control transcripcional de estos transportadores contribuye a la homeostasis, pero se sabe muy poco sobre el control post-transcripcional y post-translacional de los transportadores. Mientras tanto queda mucho por aprender acerca de Zn (uso, transporte y homeostasis), a pesar de esto, se esta mucho más cerca que una comprensión completa de la homeostasis de la Fe. (P et al, 2009).

La absorción de hierro y zinc en plantas

En las plantas, la principal fuente de los metales es el suelo. Los metales pueden ser inaccesibles en el suelo, principalmente en una forma insoluble, que es particularmente pronunciada por pH elevados de los suelos alcalinos. Para hacer frente a esta inaccesibilidad a algunos metales, los no gramíneas se basan principalmente en una estrategia de reducción basada en la captación (estrategia I), mientras que las gramíneas (hierbas) más comúnmente utiliza una estrategia basada en la quelación (estrategia II), ambos dependen de la características del entorno, para una incorporación eficiente y distribución sistemática de los micronutrientes (PG, 2009).

En el caso de la absorción de Fe, las plantas han sido clásicamente divididas en dos grupos, en función de su estrategia para obtener Fe desde el medio ambiente: (1) la estrategia I, adquiren Fe2+ para después reducirlo por Fe3+

reductasas y (2) la estrategia II, secretando fitosideróforos (PSs) que se unen al Fe3 + para la adquisición posterior de la Fe3+-quelato (S, 2003, JG, 2009; PP, 2009). Sin embargo, resultados recientes destacan la importancia de las condiciones ambientales en la adquisición de metal. Por ejemplo, las plantas de arroz también pueden importar directamente Fe2+ en respuesta a las condiciones deficientes en Fe, a través de transportadores de Fe-reguladores (IRT) expresados en las raíces (I et al, 2006). Estas plantas y sus ancestros por lo general han crecido en suelos arroceros y pantanos donde Fe2 + es abundante. Curiosamente, la expresión de una levadura Fe3+ reductasa del arroz (mutagenizado para un mejor rendimiento a alto pH) confiere tolerancia mejorada a baja disponibilidad de Fe y un aumento en el rendimiento de grano (I et al, 2007; PP, 2009).

Debido a que los transportadores de metal tienen una afinidad específica para un determinado estado de oxidación de cada metal, muchas plantas

utilizando la Estrategia de reducción I para la captación de metales. Por ejemplo, el Zn siempre se encuentra en el estado de oxidación +2 bajo condiciones fisiológicamente pertinentes, el Fe necesita ser reducido para la absorción en la planta (PG, 2009). Por lo tanto, para superar el problema de insolubilidad en suelos alcalinos, las plantas pueden utilizar la actividad de la ATPasa para liberar protones en la rizosfera y para disminuir el pH del suelo, bajo condiciones de limitación del metal. A medida que el pH disminuye en el suelo, el aumento de la concentración de protones ayuda a generar metal libre, que puede ser accesible para la absorción (PG, 2009). El Fe se encuentra predominantemente en forma de hidróxidos de Fe en el suelo. La absorción de Fe por la Estrategia I que implican la liberación de protones para aumentar la solubilidad de Fe, a través de H+-ATPasas de la membrana plasmática de la raíz, sobre la deficiencia de Fe. Esta reducción se realiza por la deficiencia de Fe en la membrana estimulando la Fe3+ reductasa (G et al, 2006). Después de la acidificación, el Fe3+ se reduce a Fe2+ en la membrana por una reductasa-oxidasa férrica (FRO). Una vez Fe3+ se reduce, Fe2+

y es transportado a la raíz por un Fe regulado-transportador (IRT), un miembro del regulador-transportador de Zn (ZRT)-IRT como la proteína (ZIP) familia (JG, 2009).

Por otro lado, la absorción de Fe por quelación o Estrategia II emplea la liberación de los quelantes en la rizosfera, conocido como PSs, acondicionando al Fe3+ para el transporte en la planta. PSs se sintetizan a partir de metionina y son compuestos de la familia del ácido mugineico (MAS) que forma Fe3+-quelatos estables en el suelo (R et al, 2004; JG, 2009). PSs, como el MAS, son liberados para quelar Fe3+ y formar complejos PS-Fe3+ para luego ser trasladós a las raíces, a través del trasportador Yellow Stripe-Like (YSL), llamado así por el transportador YSL1 PS del maíz (JG, 2009).

Respecto a la absorción del Zn, este mineral es principalmente insoluble en los suelos debido a la adsorción de la arcilla, CaCO3 o la materia orgánica. La acidificación del suelo también puede resultar en un aumento de la solubilidad de Zn, favoreciendo el intercambio de cationes y liberación de los metales divalentes de complejos insolubles con las partículas del suelo (PG, 2009). Aunque los mecanismos moleculares para la absorción de Zn no se han descrito completamente, se ha sugerido que las plantas también puede usar la estrategia II con el fin de obtener Zn del suelo (ZZ, 2008). Especies de gramíneas responden a la deficiencia de Fe y Zn por la exudación de EPs, aumentando la disponibilidad de estos metales (Fe y Zn). Así, los complejos PS-Fe3+ o PS-Zn2+ son transportados de la rizosfera a las células raíz para la absorción (C et al, 1994). La familia MAs desempeña un papel importante en la adquisición de Fe, y también contribuye a la adquisición de Zn (y otros nutrientes metalicos) por estas plantas

(W et al, 1996; ZZ, 2008). Aunque, el transportador IRT se ha establecido como el mejor sistema de captación de Fe desde el suelo (V et al, 2002), también es responsable de la absorción de Zn (H S, 2003). Enfoques de ingeniería genética se han aplicado para incrementar la tolerancia de las plantas a suelos pobre en Zn. Por ejemplo, la transformación y la sobre-expresión de conocidos transportadores de Zn a partir de Arabidopsis de la cebada (Hordeum vulgare cv. Golden Promise) puede aumentar la absorción de Zn planta y el contenido de Zn en la semilla (R et al, 2004). Estos resultados muestran la contribución de las herramientas de genética molecular a la manipulación eficiente del Zn y Fe en los cultivos y el potencial para el enriquecimiento de los alimentos con Zn y Fe (ZZ, 2008).

Distribución del hierro y zinc en plantas

Los metales deben ser transportados a lo largo de la planta, a partir de la absorción en las raíces a los tejidos en los que se requieren. Una vez dentro de la célula epidérmica de la raíz, los iones pueden moverse a través de pasajes simplástica, desde la epidermis hasta el periciclo, para ser cargado en el xilema. En el xilema, los metales son transportados a las partes aéreas de la planta a través de la corriente de transpiración para disparar tejido o cruzar la membrana plasmática de las células de las hojas. Las semillas no se alimentan de la corriente de transpiración a través del xilema y deben hacerlo por medio del floema. Además, las hojas en desarrollo aún no han diferenciado completamente el xilema y debe recibir los metales necesarios a través del floema (KC, 2006; JG, 2009).

Las plantas tienen una amplia gama de transportadores, de los cuales se desconoce su función exacta. En lo que refiere a la absorción y distribución de Fe y, pero hay varios transportadores identificados (Figura 1). Como se ha mencionado en la sección anterior, la proteína ZRT/IRT como el transportador (ZIP) son necesarios para la absorción de Fe y Zn en las raíces (V et al, 2002; G et al, 1998). Respecto a la absorción de las plantas de Estrategia II, el Fe es tomar como quelato PS- metal a través de los transportadores Yellow Stripe-like (YSL) en las raíces (R et al, 2004), mientras que el Zn parece deben abordarse a través de los trasnportadores ZIP-like (IRT), como en las plantas con Estrategia I (R et al, 2003). Una vez en las raíces, ambos minerales se transfieren al xilema para su posterior distribución hacia los órganos por encima del suelo por diferentes transportadores (G et al, 2006).

Xilema. Para evitar la manipulación de tóxicos durante la translocación a través de la planta, libre de metales celulares, tales como Fe y Zn, son transportados quelados a otras moléculas. Los agentes quelantes que cargan Fe en el xilema son citrato y nicotianamina (NA). Dependiendo del complejo de Fe-

quelato formado, diferentes sistemas de transporte están implicados en la distribución de Fe en toda la planta. Por ejemplo, NA puede actuar para quelar Fe y facilitar su translocación simplastica al parénquima del xilema (KC, 2006). Sin embargo, el pH del xilema favorece la quelación del Fe a citrato en lugar de NA, y se sabe que existe el Fe en forma quelatos de Fe3+-citrato en el xilema (D et al, 2007; PG, 2009). Debido a que el Fe3+-citrato es la principal forma de Fe presente en los exudados del xilema, el citrato se cree que participan en el transporte de larga distancia de Fe de las raíces a los brotes (JG, 2009). Un Fe quelado, los complejos resultantes Fe3+-citrato se eliminan en el xilema, a través de transportadores tales como el gen FRD. FRD (férrico reductasa defectuosa), es un transportador de citrato localizado en la membrana plasmática del periciclo y el cilindro vascular, se ha demostrado el flujo del citrato en el xilema y es requerido para el transporte de Fe hacia las hojas (GR, 2004; D et al, 2007). Por lo tanto, el Fe se cree que se descarga de la vasculatura en el tejido desarrollado a través de mecanismos aún desconocidos (G et al, 2006; PG, 2009). Por otra parte, los genes de metales pesados ATPasa (HMA), que se expresan en el tejido vascular, parecen ser los candidatos más probables para el transporte de Zn en el xilema (H et al, 2004; G et al, 2006). El Zn se traslada en el xilema para transportarse largas distancias por HMA (HMA2 y HMA4), que se localizan en la membrana plasmática de la raíz y el tejido vascular. Los HMA2, HMA4 mutantes muestran una disminución elevada de Zn y especialmente en la raiz, lo que apoya el papel de HMA2 y HMA4 en la carga de xilema. HMA4 es también identificado como un gen con una mayor expresión en la hiperacumulacion de Zn en el Arabidopsis halleri (H et al, 2004; PG, 2009).

Floema. El suministro de metales a los tejidos en desarrollo requiere del transporte a través del floema alcalino, probablemente ligado a los quelantes tales como nicotianamina (NA). Se cree que el Fe2+ y Zn2+ son transportados no sólo en el xilema, especialmente en el floema en forma de quelatos de NA. Los transportadores implicados en la carga del floema se cree que incluyen los miembros del grupo YSL (una subfamilia de la familia de transportadores oligopéptidos OPT), y los complejos NA-metal son más probablemente transportados a través de las membranas plasmáticas de estos transportadores (G et al, 2006). Los YSLs pueden translocar metales al floema, que luego se puede enviar a la semilla. Uno de los miembros mejor caracterizados de esta subfamilia es el YSL1, que se localiza en la vasculatura rodaje( en el tejido vascular) así como las silicuas, granos de polen y las semillas en desarrollo (PG, 2009). En Arabidopsis, la familia YSL (YSL1 y YSL3), así como el transportador oligopéptido OPT3, están implicados en el suministro de metal de los tejidos vasculares a las semillas en desarrollo (W et al, 2006; S et al, 2008). Además, se propone que las proteínas YSL podría participar tanto en el transporte de metal del floema al xilema

en los tejidos jóvenes en crecimiento y floema a xilema de cambio en las raíces. Curiosamente, la función y el transporte de otros metales ligandos incluyendo el ácido mugineico, histidina, y fitato se han revisado recientemente (PP, 2009).

Célula. Una vez transportado al tejido apropiado, los metales deben ser distribuidos a nivel subcelular para asegurar cantidades suficientes para los compartimentos celulares necesarios. El almacenamiento y amortiguación de Fe en el nivel subcelular son mecanismos cruciales que permiten a las plantas hacer frente a la deficiencia de Fe y la toxicidad. Orgánulos tales como vacuolas y los plástidos jugar un papel clave en la compartimentación intracelular o almacenamiento de Fe. En los plástidos, las ferritinas pueden almacenar una fracción importante de Fe celular, y estas proteínas desempeñan diversas funciones relacionadas con la homeostasis de Fe durante el desarrollo o en respuesta a las tensiones ambientales (B et al, 2007; PG, 2009).

Debido a que las cadenas de transporte de electrones y el metabolismo de carbono primario requieren Fe, orgánulos como cloroplastos y mitocondrias son los sitios más importantes para la utilización de la Fe en la celula (P et al, 2009). Por ejemplo, casi el 90% del Fe en la planta está localizado en el cloroplasto, donde se requiere para su uso en la cadena de transporte de electrones y la síntesis de clorofila, grupos hemo y Fe-S; Fe también se transporta a la mitocondria a para efectuar el mismo proceso (KG, 2007; PG, 2009). Es de creer que el eflujo de Fe de las mitocondrias de Arabidopsis podría ocurrir por el transportador de tipo ABC STARIK1 (STA1) proteína (homólogo de la levadura ATM1p: Transportador ABC mitocondrias proteína 1) situado en la membrana interna (K et al, 2001; B et al , 2007), pero los transportadores de Fe involucrados en las mitocondrias y los cloroplastos aún no han sido identificado en su totalidad (PG, 2009). Además, el Zn y Fe se utilizan en el cloroplasto como cofactores para las superóxido dismutasas (SOD), preveniendo el daño celular por las especies reactivas de radicales hidroxilo. el Zn es probablemente transportado por un ZIP que se localiza en la mitocondria, pero hasta el momento no hay transportadores ZIP asignados a esta función (A et al, 2002; PG, 2009).

Respecto a los transportes de metal en las vacuolas, este orgánulo es un compartimiento de almacenamiento de metal esencial en las semillas. Las funciones de la vacuola durante el desarrollo temprano de las plántulas como un primer almacén de metales. El Zn ha demostrado ser transportado en la vacuola por miembros de la familia MTP (proteína tolerante al metal), también conocidos como proteína CDF (facilitador de difusión de catiónes) (K et al, 2004; G et al, 2009). Los avances relativos a los flujos de Fe a través del tonoplasto en semillas de Arabidopsis, demuestran que la movilización de Fe almacenado en la semilla permite a jóvenes plántulas en crecimiento el desarrollar durante la fase inicial

heterótrofa. Transportadores identificados en la afluencia y eflujo de Fe demuestran ser esenciales para la germinación y desarrollo de las plántulas (B et al, 2007). El Fe es transportado en la vacuola por el transportador VIT1 (Trasportados Vacuolar de Hierro 1), que es crítico para la localización de Fe en la semilla (K et al, 2006). La movilización de Fe de la vacuola se cree que está mediada por la acción de NRAMP3 y NRAMP4, que es regulado por la deficiencia de Fe (L et al, 2005; T, 2003; PG, 2009).

Es importante mencionar que las principales estrategias que la planta utiliza para combatir la toxicidad de los metales son el secuestro y la quelación para transportar metales. Por consiguiente, además de secuestro dentro de la vacuola, el Fe ha demostrado ser almacenado en los plástidos en forma de ferritina, una jaula de proteína puede almacenar hasta 4.500 átomos de Fe3+ en su interior como un mineral de óxido de Fe (H y T, 2009). En los animales, la ferritina es la forma de almacenamiento primaria para el Fe, pero el trabajo reciente ha sugerido que en Arabidopsis el papel de la ferritina es únicamente para tratar el exceso de Fe y prevenir el daño oxidativo (R et al, 2009). Por lo tanto, la mayoría de las plantas utilizan la ferritina principalmente para desintoxicar el Fe y no como una unidad de almacenamiento principal. Algunas plantas, sin embargo, usan la ferritina como una unidad de almacenamiento, y un nuevo estudio ha demostrado que las diatomeas oceánicas utilizar la ferritina para almacenar Fe de forma segura para su uso posterior (M et al, 2009; PG, 2009).

Figura 1. Transporte de metal en las plantas. Las no gramíneas utilizar la Estrategia I de reducción basada de la absorción, mientras que las plantas gramíneas usar una estrategia II basada en la quelación. En las no plantas gramíneas, la acidificación del suelo por una ATPasa y la reducción de Fe3+ por un FRO contribuye a aumentar la absorción de Fe2+ y Zn2+ en la raíz. En las plantas gramíneas, el Fe3+ y Zn2+ son también absorbidos de quelatos PS como por los transportistas de YSL en la epidermis y Fe también puede ser absorbido por IRT. Los metales puede entonces viajar a través del espacio simplastico a la vasculatura. El transporte en el xilema involucra a los miembros de la familia HMA y el Citrato FRD. YSLS también puede translocar metales al floema, de donde se pueden enviar a los órganos por encima del suelo. El flujo Fe y Zn intracelular a la mitocondria podría llevarse a cabo por STARIK1 y transportadores ZIP, respectivamente. Una vez que los metales se han llegado a su destino objetivo, necesitan ser almacenados en vacuolas. La vacuola es un compartimiento de almacenamiento de metal esencial en semillas, el Zn y Fe son transportados en la vacuola por el PPM y el transportador de VIT1, respectivamente. Las cajas azules representan los transportadores de metales. NA, nicotianamina, PS, Fitosideroforos.

3. Avances para mejorar los contenidos de Fe y Zn en plantas cultivadas por medio de las estrategias de biofortificación.

Las deficiencias de Fe y Zn son un problema de salud publica bien documentado y un importante obstáculo en el suelo para la producción de cultivos (C, 2010). El mundo ha hecho un gran esfuerzo para aliviar las carencias de micronutrientes en humanos a través de la diversificación de la dieta, el enriquecimiento de los alimentos, una mejor atención en la salud pública y la administración de suplementos (L et al., 2011). Considerando que estas estrategias han sido efectivas en los países industrializados, han tenido un éxito limitado en los países en desarrollo, ya que estos suelen ser demasiado caros y difíciles de mantener, sobre todo en la población rural (T et al, 2008, p, 2010).

Como alternativa, un enfoque agrícola que puede ser ampliamente aplicado para superar la deficiencia de micronutrientes en los seres humanos es la biofortificación (Z et al 2010;. Banco Mundial, 2011). La biofortificación es un proceso para incrementar el nivel y/o la biodisponibilidad de los nutrientes esenciales en cultivos (P et al, 2010). Esta es una estrategia relativamente nueva que consiste en la mejora de las características agronómicas y el contenido nutricional de los cultivos a través de la agronomía, fitomejoramiento y la biotecnología (Z, 2009;. G et al, 2010).

Biofortificación agronómica

La bbiofortificación agronómica (fertifortification: aplicación de fertilizantes) y mejoramiento de las plantas (biofortificación genética) representan enfoques agrícolas complementarios (C, 2008; Banco Mundial, 2009). Se considera que la aplicación de Zn y Fe contenido en fertilizantes es una solución a corto plazo y complementaria al cultivo de plantas (C, 2010). Los datos publicados proporcionan pruebas convincentes de que las aplicaciones al suelo y foliares, especialmente de fertilizantes de Zn son eficaces en la mejora de la concentración de Zn granos (C et al 2010b;. Z et al, 2010). Por ejemplo, se ha demostrado que aumentar el suministro de Zn en plantas de guisante (Pisum sativum) a niveles mayores a los requeridos para el rendimiento máximo, aumentan la concentración de Zn biodisponible en las semillas (P et al, 1980). Además, el aumento de los niveles de Zn a través de la fertilización han demostrado un comportamiento similar para el frijol blanco (Phaseolus vulgaris). Además, el aumento en las aplicaciones de Zn y Se en trigo para mejorar las cantidad biodisponibles de estos elementos en grano de trigo (C, 2008, H et al, 2008). El Proyecto de Fertilizantes HarvestZinc ha demostrado que la aplicación foliar de fertilizantes de Zn al trigo puede aumentar significativamente la concentración de este elemento en el grano. Dependiendo de

la magnitud de la deficiencia de Zn en suelos, los fertilizantes con Zn puede contribuir a mejorar el rendimiento de los cultivos de cereales (BI, 2012).

Por el contrario, debido a la rápida conversión de Fe a formas no disponibles cuando se aplican a los suelos calcáreos y la poca movilidad de Fe en el floema, la fertilización directamente al suelo y/o foliar parece ser menos eficaz que la fertilización con Zn en el enriquecimiento de granos (R et al. 1999 , C, 2008; Z et al, 2010). Por otra parte, algunos trabajos han mostraron que las plantas no responden a la fertilización foliar con Fe en términos de concentración de Fe en el grano, tales como la aplicación de varios fertilizantes inorgánicos y Fe quelado que siguen siendo ineficaces para incrementar la concentración de Fe en el grano (C, 2010). Sin embargo, parece que el estado nutricional de N en plantas desempeña un papel crítico en la biofortificación de los granos de cereales con Zn y Fe, y el límite de la concentración de Fe en el grano puede ser aumentado por el aumento de la aplicación de fertilizantes N. Mejorar el estado nutricional de nitrógeno (N) en las plantas promueve la acumulación de Fe (y Zn) en grano (C, 2010; Banco Mundial, 2011).

En general, para ciertos micronutrientes esenciales, el aumento de su disponibilidad en el suelo a los cultivos puede dar lugar a incrementos significativos en sus concentraciones biodisponibles en las estructuras vegetales comestibles (G et al, 2007). El mejor ejemplo de la biofortificación de cultivos con fertilizantes de Se procede de Finlandia (B et al, 2006), este fue un estudio documentado en que un país entero participo. Desde 1984, la adición de seletano a losfertilizantes NPK para uso en cultivos y pastos fueron los primeros métodos para mejorar los niveles de Se en toda la población (L et al, 2005). De Igual forma, el I (suministrado en el agua de riego) puede aumentar los niveles de I en las partes comestibles de los cultivos, aliviar el cretinismo enfermedad debilitante, así como otros trastornos debidos a la deficiencia de I en poblaciones dependientes de los alimentos cultivados en regiones con suelos pobres en I (R et al, 2008). Por lo tanto, los abonos se pueden utilizar como una herramienta agrícola eficaz para mejorar la salud nutricional de la población del mundo en desarrollo (BW, 2010). Por el contrario, fertifortification no podría ser un enfoque sostenible a largo plazo en los países en desarrollo. En el caso de la fertilización con Fe es aún más complicado, por su tendencia a la insolubilidad, a menos que se utilice en grandes cantidades o cuando es costosamente quelado a moléculas orgánicas. Las aplicaciones foliares, mejoran los rendimientos y el contenido de este metal en las plantas que crecen en suelos deficientes en Fe, es otra estrategia, pero cuando se aplica regularmente, es costosos y constituye peligros potenciales para el medio ambiente (M et al, 2012; S et al, 2012).

Biofortificación genética

Por otra parte, la biofortificación de cultivos mediante cruzas ofrece una manera sostenible y de bajo costo para proporcionar micronutrientes a los habitantes de los países en desarrollo. La producción de alimentos básicos ricos en nutrientes es el objetivo principal de distintos consorcios internacionales, que tienen como objetivo reducir la malnutrición de micronutrientes a través de los diferentes programas de biofortificación (BM, 2011, M et al, 2012). Tres temas principales han sido identificados y están obligados a hacer de la biofortificación un éxito: (1) un cultivo biofortificado tiene alta concentración de nutrientes en combinación con un alto rendimiento y una alta rentabilidad, (2) el cultivo debe demostrar ser eficaz y efectivo para reducir la malnutrición de micronutrientes en los seres humanos, y (3) las cosechas también deben ser aceptables para los agricultores y los consumidores en las regiones objetivo en que las personas padecen de malnutrición de micronutrientes (BW, 2010).

HarvestPlus, un componente del Programa de Investigación del CGIAR sobre la Agricultura para mejorar la nutrición y la salud, conduce un esfuerzo mundial para desarrollar y entregar cultivos básicos biofortificados con los nutrientes más limitantes en las dietas de los pobres: la vitamina A, Zn y Fe. Este es un programa interdisciplinario que trabaja con expertos en más de 40 países. Los principales cultivos estudiados son: frijol (Fe / Zn - DR Congo / Ruanda), yuca (Vitamina A-República Democrática del Congo y Nigeria), el maíz (Vitamina A - Zambia), perla mille (Fe / Zn - India), el arroz (Zn / Fe - Bangladesh / India), camote (Vitamina A - Uganda / Mozambique), trigo (Zn / Fe - India / Pakistán). Este programa también es compatible con los estudios iniciales de los siguientes cultivos: banano / plátano (vitamina A), lentejas (Fe / Zn), papa (Fe / Zn) y sorgo (Zn / Fe). La mayoría de los cultivos biofortificados se encuentran todavía en la fase de desarrollo. Sin embargo, un cultivo básico que se ha biofortificado con éxito es la papa naranja dulce (OSP), convencionalmente desarollada para luchar contra la carencia de vitamina A en las regiones de África, donde la papa es un alimento básico (BI, 2012).

Desarrollar nuevos genotipos de plantas con altas concentraciones de Fe y Zn en granos es la estrategia con mejor balance costo-eficacia (C, 2010). Una amplia gama de Fe y Zn en los granos de los principales cultivos se ha asociado con la variación genotípica. Esta variabilidad se explota a través de programas de cruzas para producir variedades de cultivos ricas en Fe y Zn (M et al, 2012). Además, la investigación para evaluar y mejorar la variabilidad genética para Fe y Zn se ha complementado con información sobre la retención después de la transformación, la biodisponibilidad en la dieta, consumo por día, y la cantidad necesaria de alimentos vegetales para tener efectos medibles sobre el estado nutrimental (BP,

2010) . Por lo tanto, HarvestPlus establecer objetivos, con niveles preliminares "mínimos" para el contenido de micronutrientes utilizando hipótesis basadas en el consumo de alimentos básicos (gr / día); biodisponibilidad (% de nutrientes absorbida), las pérdidas de este nutriente objetivo con el procesamiento (molienda, almacenamiento y cocción), y la proporción de la exigencia diaria de nutrientes que debe lograrse a partir de la suma de micronutrientes en los alimentos básicos (B et al, 2011). Concentraciones de Zn fijadas por el programa Harvest Plus (contenido de peso en seco: g / g): 28 en el arroz pulido, 38 en el grano de trigo, 38 en el maíz, 66 en el mijo perla, 56 en grano, 34 en raíz de yuca, y 70 en papa (B et al, 2011). Estas concentraciones de destino se consideran conservadoras, y se han superado en líneas de mejoramiento de arroz, trigo y maíz (BM, 2011). De igual manera, los niveles objetivo para los contenidos de Fe en cultivos básicos biofortificados establecidos por este programa son (contenido de peso en seco: g / g): 15 en el arroz pulido, de 59 en el grano de trigo, 60 en maíz, 88 en el mijo perla, 107 en frijol, el 45 en la raíz de la yuca, y el 85 en la papa (B et al, 2011). El mijo perla, frijol, trigo, arroz y papa son identificados por el programa que tiene el mayor potencial para la biofortificación con Zn y / o Fe (BP, 2010). Es importante mencionar que la investigación reciente también apoya la hipótesis de una dilución de micronutrientes en cultivares a través del tiempo. Por ejemplo, el trigo salvaje y primitivo representa un recurso genético mejor y más prometedor para elevar el contenido de Zn. Las colecciones de trigo silvestre Emmer, Triticum turgidum ssp. dicoccoides, mostraron una variación genética impresionante y el más alto nivel de Zn (14 a 190 mg / kg); también, algunas adhesiones mostrar simultáneamente ambos niveles muy altos de Zn (hasta 139 mg / kg) y Fe (hasta 88 mg / kg) en las semillas (C, 2008).

Los alimentos vegetales (semillas y granos) contienen antinutrientes [ácido fítico (PA) y polifenoles (PP)] que pueden reducir la biodisponibilidad de Fe y Zn en la dieta de los seres humanos. Sustancias dietéticas que promueven/mejoran la biodisponibilidad de los micronutrientes [prebióticos] en la presencia de antinutrientes son también conocidas, cuyos niveles son controlados por genes y factores ambientales. Estos compuestos, que afectan la absorción de Fe y Zn en la dieta humana, debe tenerse en cuenta al hablar de los cultivos biofortificados. Por ejemplo, en la última década uno de los enfoques de la biofortificación para mejorar la absorción de Fe en humanos fue el aislamiento de cultivos con genotipos de bajo fitato (LPA) para mejorar la biodisponibilidad Fe. Un estudio reciente con las mujeres mostro que la reducción de los niveles de PA o PP en los frijoles, sólo tenía una modesta influencia positiva sobre la absorción de Fe. Este resultado implica que la primera prioridad debe ser la raza con una alta concentración de hierro, en lugar de bajo contenido de PA. En la dieta el PA y PP se asocian con beneficios para la salud humana, los PP tiene diversas

propiedades benéficas (antioxidante, antineoplásico y anti-inflamación) y el PA es un agente antineoplásico de amplio espectro, por lo que se sugiere que estos compuestos pueden proteger contra el cáncer en seres humanos (P et al, 2011; et al, 2012). Por otra parte, el aumento de la disponibilidad de Fe puede tratar la anemia, pero no hay evidencia de que pueda promover el crecimiento de patógenos. Por lo tanto, un nivel óptimo de Fe se logra en gran medida de forma segura en los países desarrollados. Sin embargo, en los países en desarrollo, los numerosos casos de enfermedades infecciosas y la consecuente competencia huésped-patógeno por Fe repercuten en necesidades diarias de Fe más complejas. Cultivos biofortificados con prebióticos (tales como inulina) tienen el potencial de evitar parcialmente la 'Fe paradoja' causada por la competencia huésped-patógeno por Fe, favoreciendo la mejora de la salud intestinal y defensa inmunológica. Frutas y verduras, tienen niveles significativos de inulina y existe cierta evidencia de los efectos estimulantes de la inulina en la absorción de Fe en la dieta de los animales. Por lo tanto, se considera que el aumento de Fe y prebióticos en las partes comestibles de las plantas mejore la salud, mientras que la reducción de PA en cultivos valiosos para la dieta humana, podría ser menos beneficioso para los países desarrollados, o para los países en desarrollo expuestos a las infecciones endémicas (M et al, 2012).

Biofortificación Biotecnológica

Por último, en ausencia de variación genética en el contenido de micronutrientes entre las variedades, los enfoques transgénicos (biotecnología) pueden ser una alternativa válida para la biofortificación de cultivos. Dos enfoques diferentes se han utilizado para mejorar el contenido de mineral: (a) aumentar la eficiencia de absorción y el transporte a los tejidos comestibles y (b) aumentar la cantidad de acumulación de minerales biodisponibles en la planta. Estrategias de ingeniería para aumentar el contenido mineral de las plantas se han concentrado principalmente en Fe y Zn, que son más frecuentemente deficientes en las dietas humanas (H et al, 2009; P et al, 2008, CG, 2006).

Genes clave en las vías metabólicas, la absorción, y translocación y re-translocación que influyen en la acumulación en partes comestibles de las plantas han sido identificados. Por ejemplo, nicotianamina (NA) es un quelante importante que controla la acumulación de metales en las semillas (BP, 2010), por lo que la manipulación de las concentraciones celulares de NA parecen tener otro enfoque para la mejora de las concentraciones de Fe y Zn en las plantas. Estudios recientes mostraron que la expresión aumentada en arroz del gen sintasa nicotianamina (OsNAS3) resulta en aumento de estos metales en ambos tejidos vegetativos y semillas maduras (Lee et al. 2009).

La sobreexpresión de la ferritina (proteína de almacenamiento de Fe en bacterias, células animales y vegetales) representa un posible enfoque transgénico para mejorar la concentración de Fe en las partes comestibles de las plantas. Ferritinas eucariotas consisten de 24 subunidades que se ensamblan en una estructura en forma de jaula capaces de secuestrar o liberar Fe en exceso, que representa una dinámica 'Fe-depósito' que puede constituir el mecanismo predominante de almacenamiento de Fe en las semillas de varias especies de plantas (M et al , 2012). El estudio de arroz transgénico que expresa una proteína de almacenamiento de Fe, ferritina, mostró niveles hasta tres veces mayores de Fe en granos transgénicos de arroz marrón (38,1 ± 4.5mg/kg) en comparación con los granos comunes (11,2 ± 0,9 mg / kg) (G et al. 1999 ; A et al 2011).

El Maíz ha sido alterado mediante transgenes para aumentar la biodisponibilidad de Fe (D et al, 2005), generado maíz transgénico que expresa tanto una fitasa de Aspergillus y la ferritina de soja en el núcleo. En la línea transgénica más activa, más del 95% del fitato se había degradado y se observó un aumento del 50% en la concentración de Fe en el grano. Se evaluó la Biodisponibilidad de Fe usando un modelo in vitro de células digestion/Caco-2 y demostraron que la expresión de fitasa se correlacionó directamente con la biodisponibilidad y la absorción de Fe. (Lungaho et al, 2011).

Además, ha sido posible aumentar el contenido de Fe en el arroz pulido más de seis veces por la transferencia de dos genes: sintasa nicotianamin (nicotianamin) y la ferritina. Su acción sinérgica permite la planta de arroz absorber más Fe desde el suelo y almacenarlo en el grano: nicotianamin se une temporalmente al Fe y facilita su transporte en la planta y la ferritina actúa como un depósito de almacenamiento de Fe en las plantas y los seres humanos. Los genes son controlados de tal manera que la sintasa de nicotianamin se expresa en toda la planta de arroz, pero la ferritina sólo en el grano de arroz. El prototipo funciona bien en invernadero, sin posibles efectos negativos (G, 2010).

Es importante mencionar que los que se muestran son ejemplos donde se muestra que la biotecnología ha influido positivamente en la nutrición humana mediante la reducción de la malnutrición por Fe a través de biofortificación de cultivos. La mayor parte del trabajo que se está haciendo para biofortificar alimentos básicos se basa en las técnicas tradicionales de fitomejoramiento. Sólo para aquellos nutrientes que no puede ser mejorados por métodos convencionales, algunas organizaciones están llevando a cabo una investigación preliminar para determinar que papel pueden desempeñar los transgénicos en el mejoramiento de los cultivos biofortificados. Sin embargo, se considera que el programa nacional de investigación agrícola de cada país, tomará las decisiones de difusión. Por ejemplo, como política, HarvestPlus no distribuirá los transgénicos

que se haya desarrollado bajo sus auspicios a cualquier país que no cuentan con sistemas reglamentarios de bioseguridad o no desea adoptar variedades transgénicas (www.harvestplus.org).

4. Impacto de la biofortificación con Fe y Zn en la nutrición y salud humana

Deficiencias de nutrientes minerales son un problema mundial que está directamente relacionado con la pobreza y la inseguridad alimentaria (H et al, 2011). La malnutrición de micronutrientes (MNM) puede afectar a todas las edades, pero los niños y mujeres en edad reproductiva tienden a estar entre las personas con mayor riesgo de desarrollar deficiencias de micronutrientes. MNM tiene muchos efectos adversos sobre la salud humana, los cuales no todos son clínicamente evidentes (A et al, 2006). Es estimado que 2 mil millones de personas sufren de MNM, que es causada por una carencia de micronutrientes críticos, tales como la vitamina A, Zn y Fe en la dieta. Esta situación perjudica el desarrollo físico y mental de la población joven (menor coeficiente intelectual, retraso en el crecimiento, y ceguera). Además, MNM reduce la productividad de los adultos debido a un mayor riesgo a enfermedades y reducción en la capacidad de trabajo, lo cual tiene profundas implicaciones para el desarrollo económico (BI, 2012). A nivel mundial, las tres formas más comunes de MNM son Fe, vitamina A y yodo, seguido de micronutrientes como Zn, ácido fólico, calcio, proteínas y vitaminas, pero la deficiencia de Fe es la más prevalente (A et al, 2006; W, 2011 ).

Las principales causa de MNM es una dieta de mala calidad, sobre todo carente de productos animales (alimentos ricos en micronutrientes, como la carne, pescado, aves, huevos, leche y productos lácteos). En consecuencia, las poblaciones que consumen pocos alimentos de origen animal pueden sufrir de una alta prevalencia de deficiencia de varios micronutrientes al mismo tiempo. Por lo tanto, una dieta equilibrada sería la mejor manera de prevenir la malnutrición de micronutrientes, pero muy a menudo la gente no tiene acceso a una alimentación adecuada (A et al, 2006). Al mismo tiempo, la proporción de la población mundial que sufre de MNM han aumentado debido a que la producción agrícola ha sido históricamente orientada hacia altos rendimientos agronómicos dejando de lado la calidad nutricional, produciendo alimentos con una baja concentración de minerales en muchos cultivos (MS, 2006).

Fierro

Los micronutrientes son elementos esenciales que se necesitan en pequeñas cantidades para una nutrición humana adecuada. El mineral Fe es esencial para el bienestar humano y un suministro adecuado ayudar a prevenir la deficiencias, problema de salud prevalente en el mundo entero (B et al, 2009).

La mayor parte del Fe en el cuerpo humano está presente en los eritrocitos como la hemoglobina, en donde su función principal es transportar el oxígeno de los pulmones a los tejidos. El Fe es también un componente importante de varios sistemas enzimáticos, tales como los citocromos, que están involucrados en el metabolismo oxidativo. Este micronutriente se almacena generalmente en el hígado en forma de ferritina y hemosiderina. El Fe difiere de otros materiales porque en el humano está regulado únicamente por la absorción ya que no existe un mecanismo fisiológico para la excreción (A et al, 2006; HE, 2010).

La deficiencia de Fe es el resultado de un equilibrio negativo a largo plazo, causando estadios graves de anemia. La anemia se define como una baja concentración de hemoglobina en la sangre, los valores de hemoglobina que indican anemia se han definido para distintos grupos de población por la OMS. Este es el trastorno nutricional más extendido en el mundo y la única deficiencia de nutrientes significativamente frecuente en los países industrializados. Dos mil millones de personas sufren de anemia (más del 30% de la población mundial), muchos debido a la deficiencia de Fe, y en zonas de escasos recursos, esta situación se agrava con frecuencia por enfermedades infecciosas. La malaria, el VIH/SIDA, la anquilostomiasis, la esquistosomiasis y la tuberculosis son factores importantes que contribuyen a la alta prevalencia de anemia (www.who, 2012).

En general, la deficiencia de Fe afecta a más personas que cualquier otra enfermedad, lo que constituye un problema de salud pública de proporciones epidémicas. La deficiencia de Fe y la anemia reducen la capacidad de trabajo de los individuos y poblaciones enteras, trayendo graves consecuencias económicas y obstruyendo el desarrollo de los países. La baja diversidad dietética y la ingesta inadecuada son las principales causas de los numerosos casos de deficiencia de Fe en las poblaciones humanas, que afectan a un gran número de niños y mujeres en los países en desarrollo. Las principales consecuencias de la deficiencia de Fe incluyen retraso mental, disminución de la función inmune, la reducción de la capacidad de trabajo y aumento de la mortalidad de la madre y del niño al nacer (www.who, 2012).

En base a los datos de entrada y los estudios de isótopos, la biodisponibilidad Fe ha sido estimada en el intervalo de 14-18% para las dietas mixtas y 5-12% para las dietas vegetarianas, estos valores se ha utilizado para generar valores dietéticos de referencia para toda la población (HE, 2010). Los rangos de ingesta diaria recomendada de Fe para humanos se ubica entre 8 y 18 mg /día, dependiendo de la edad y el género, se recomienda 30 mg/día para las mujeres embarazadas. Sin embargo, un gran número de personas en el mundo no tienen el privilegio de enriquecer su dieta para satisfacer la ingesta recomendada (A et al, 2011; BG, 2012).

Es importante mencionar que los datos más recientes contradicen el uso de la hemoglobina como único indicador de la deficiencia de Fe ya que estos datos se ven influidos por otros factores. Por lo tanto, la prevalencia de la deficiencia de Fe puede ser evaluada en función de la edad, sexo, raza, nivel socioeconómico, y las variaciones regionales. Los estudios para diagnosticar la deficiencia de Fe en las poblaciones incluyen marcadores biológicos tales como la ferritina sérica, saturación de transferrina, protoporfirina eritrocitaria libre, y la proteína C reactiva (A et al, 2006; SH, 2012).

Las causas de la deficiencia de Fe variar significativamente durante las diferentes etapas de la vida, de acuerdo con el nivel socioeconómico, pero estas diferencias en el nivel Fe también están relacionadas con componentes de la dieta. Una ingesta de Fe, así como otros componentes de la dieta que influyen en la absorción, tales como inhibidores y potenciadores juega un papel importante para definir el contenido de Fe de la dieta (SH, 2012). Por ejemplo, las poblaciones con dietas ricas en ácido ascórbico y carne, generan facilidades para la absorción de Fe, tendiendo a tener menos deficiencia de Fe de que aquellas poblaciones con dietas ricas en inhibidores para la absorción de Fe (fitatos y polifenoles). Las dietas altas en fibra y/o Ca tienen un efecto negativo sobre la absorción de Fe, pero en menor medida que aquellos ricos en inhibidores. Las dietas que contienen un menor contenido de Ca, se toma con alimentos que mejoren la absorción, lo que no tienen un efecto inhibitorio en la absorción de Fe, en comparación con dietas ricas en Ca. Hasta ahora, es difícil de integrar la interacción entre todos los constituyes de la dieta y se necesita más investigación para entender mejor la relación entre los hábitos alimentarios y el abastecimiento de Fe (SH, 2012).

La disminución de la deficiencia de Fe se ha practicado principalmente a través de la fortificación de alimentos y los programas de suplementación para ayudar a superar las crecientes estadísticas de deficiencia de Fe en todo el mundo (S et al, 2010). Aunque estas estrategias han estado en vigor durante muchos años, los enfoques basados en los alimentos para disminuir las deficiencias de Fe en la población se consideran más rentables. El desarrollo de variedades ricas en Fe de los alimentos básicos puede beneficiar a casi todos los habitantes del mundo, debido a la simple producción y difusión de las cosechas, ricas en nutrientes y seguras para el consumo. Debido a que la mayoría de las personas que sufren de malnutrición de micronutrientes a menudo no tienen acceso a las estrategias de suplementación o posibilidades de diversificar su dieta, por ello se considera que la biofortificación podría llegar a ser el enfoque más sustentable para mejorar la nutrición de micronutrientes a través de generaciones en los hogares rurales de escasos recursos de los países en desarrollo (B et al, 2009; G, 2012; BG, 2012).

Sin embargo, más estudios sobre el Fe son necesarios para el desarrollo sostenible de un enfoque basado en los alimentos para combatir la deficiencia de Fe (SH, 2011).

Algunas cuestiones no resueltas sobre la biodisponibilidad de Fe están relacionadas con las formas de Fe presentes en los alimentos. En general se acepta que una de las dos formas primarias del Fe como se encuentra en los alimentos, heme Fe es más disponible para la absorción de Fe que la no-hemo. Aunque el Fe no-hemo se encuentra en mayor porción en los alimentos, su absorción es baja y depende de muchos factores tales como el estado de Fe del huésped, sustancias para mejorar e inhibir, factores de consumo “antes de”/o con la comida y la solubilidad en el intestino. El Fe hemo, aunque en su mayoría se consume en pequeñas cantidades, es de dos a tres veces más biodisponibles (15-35%) que el Fe no-hemo (2-20%) y se ve menos afectado por otros factores dietéticos. Por estas razones, el contenido total de Fe en alimentos debe investigarse más a fondo y las fracciones hemo y no-hemo para facilitar el desarrollo sostenible de un enfoque basado en los alimentos para combatir la deficiencia de Fe (SH, 2011). Además, el mecanismo por el que el Ca inhibe la absorción de Fe, la naturaleza del factor de carne, y la influencia de la vitamina A, carotenoides, y los hidratos de carbono no digeribles sobre la biodisponibilidad de Fe en las dietas mixtas, son cuestiones que necesita mas investigación. El contenido de Fe en la persona es el factor dominante que determina la biodisponibilidad del elemento, otros factores relacionados con el huésped, tales como la inflamación (la obesidad es un trastorno inflamatorio relacionado con la reducción de la biodisponibilidad Fe) también pueden desempeñar un papel importante. En realidad, el consumo de alimentos enriquecidos con Fe y la biodisponibilidad de los compuestos fortificados con Fe variar ampliamente, por lo que la contribución de la fortificación de Fe a los factores de biodisponibilidad es difícil de estimar. En general, para combatir la deficiencia de Fe es necesario estudiar los factores de biodisponibilidad de Fe que dependen del consumo de carne, frutas, verduras, alimentos procesados, alimentos fortificados y biofortificados con Fe (HE, 2010).

Zinc

Las deficiencias de Zn en humanos se producen como consecuencia de una dieta inadecuada. Los factores que disminuyen la absorción incluyendo los inhibidores de la dieta, tales como fitatos o ciertos tipos de fibra, las drogas y las interacciones entre nutrientes esenciales. La carne es también la mejor fuente de Fe y Zn biodisponible, por lo que en las poblaciones vegetarianas de los países en desarrollo, las deficiencias de Fe y Zn suelen coexistir (G et al, 2012).

La importancia de Zn como un nutriente esencial para la salud humana es bien conocida. Adecuada nutrición con Zn es esencial para la salud humana debido a su papel estructural y funcional en múltiples sistemas enzimáticos que participan en la expresión de genes, la división celular, el crecimiento y las funciones inmunológicas y reproductivas. Como consecuencia, la deficiencia de Zn afecta el crecimiento físico y el riesgo y la severidad de una amplia variedad de infecciones (H et al, 2009).

Alrededor del 30% de la población mundial sufre deficiencias de Zn, pero los bebés y los niños pequeños son los más vulnerables. Las mujeres embarazadas y las madres lactantes también son muy susceptibles a la deficiencia de Zn; por lo que es urgente generar información sobre las consecuencias del bajo nivel de Zn en estos grupos de población (A et al, 2006; Y et al, 2011). El más importante de los efectos negativos de la deficiencia de Zn implicar competencia inmunitaria, el crecimiento subnormal y en la función reproductiva. Algunas de las consecuencias adversas para la salud de la deficiencia de Zn varían con la edad: diarrea, dermatitis y disturbios neurológicos son frecuentes durante la infancia, mientras que los cambios en la piel, anorexia, deterioro de la agudeza en el gusto, retraso del crecimiento e infecciones recurrentes son más frecuentes en los niños. Durante la adolescencia, retraso en la maduración sexual y anormalidades en el crecimiento y mineralización del esqueleto, y entre los ancianos, las úlceras crónicas de la pierna que no cicatrizan y las infecciones recurrentes ocurren (T et al, 2011; GH, 2011; G, 2012).

Una dieta pobre en Zn puede repercutir en ingesta insuficiente de Zn, una escasa biodisponibilidad, o una combinación de estos factores dietéticos. El Zn es más abundante y fácilmente absorbible a partir de proteínas de origen animal, mientras que el consumo de verduras y cereales disminuye su absorción debido a la unión de Zn para los fitatos, el único factor dietético importante que inhibe la absorción de Zn, especialmente cuando las dietas son bajas en alimentos carnicos (G, 2012 , Y et al, 2011). Aunque la biodisponibilidad mineral es compleja, la relación molar fitato-a-minerales se puede utilizar como una medida cualitativa de su biodisponibilidad en la alimentación humana. En efecto, la mayor variación en la biodisponibilidad de Zn se explica por (fitato: Zn) contenido en la dieta humana, esta relación en los alimentos se considera un buen indicador de la biodisponibilidad de Zn. La eficiencia de la absorción de Zn de una dieta varía de aproximadamente del 15% a 35%, dependiendo en gran medida de la cantidad de Zn consumida y la presencia de fitato de la dieta (Gibson, 2012). La ingesta media diaria de referencia (IDR) para los rangos de zinc son de 8 to11mg (GG et al, 2010). Los altos niveles de calcio en la dieta puede inhibir la absorción de Zn, especialmente en la presencia de fitatos. A diferencia de Fe, Zn absorción no es ni

inhibida por compuestos fenólicos, ni mejorado por la vitamina C. Hasta ahora, la influencia de estos factores de riesgo mencionados para la deficiencia de Zn es difícil de integrar y se necesita más investigación para evaluar la biodisponibilidad de zinc de las dietas habituales para comprender mejor la relación entre los hábitos alimentarios y de suministro de Zn (A et al, 2006).

Deficiencia de Zn es ahora ampliamente reconocida como un factor de riesgo de morbilidad y mortalidad. Se ha estimado que la deficiencia de Zn es responsable de aproximadamente el 4% de la carga mundial de morbilidad y mortalidad en los niños de menos de cinco años de edad. En 2009, Comité Directivo del IZiNCG (Grupo Consultivo Internacional de la Nutrición con Zinc) re-examinó las últimas estrategias para controlar la deficiencia de Zn y mejorar la nutrición. Ellos consideran que las estrategias posibles para combatir la deficiencia de Zn son suplementación, fortificación, diversificación dietética/modificación y la biofortificación, la elección dependerá de la magnitud del riesgo, de la etapa de vida, y el paisaje. Suplementación con zinc se recomienda para el tratamiento de la diarrea aguda, y para prevenir el retraso del crecimiento, diarrea, la neumonía y la mortalidad en los niños de alto riesgo. Cereales fortificados con Zn son adecuados para los hogares urbanos, mientras que la diversificación/modificación de la dieta y la biofortificación son adecuados para la población rural pobre. Para obtener el máximo impacto, las intervenciones deben ser integradas con programas eficaces de salud pública que aborden las causas subyacentes de la deficiencia de Zn (G, 2012).

Hay buena evidencia que apoya el impacto beneficioso de las intervenciones de Zn, especialmente de los suplementos de zinc. Ensayos de suplementación de Zn realizados durante las últimas décadas en los niños de países en desarrollo han demostrado los efectos positivos de la mejora de la condición de Zn, incluyendo la mejora de las tasas de crecimiento y la reducción de la incidencia de diversas enfermedades infecciosas, también, la suplementación terapéutica con zinc reduce la duración y severidad de la diarrea (B et al, 2009).

Hay menos información disponible sobre el impacto de los programas de fortificación de Zn y de las estrategias de intervención dietética, aunque la evidencia disponible sugiere que ambos enfoques deberían mejorar la condición de Zn. La fortificación de alimentos o la adición de nutrientes a un alimento en un nivel superior al que se encuentra originalmente, se considera una estrategia costo-efectiva para mejorar el estado de micronutrientes de la población. Los estudios disponibles muestran claramente que el enriquecimiento de Zn puede aumentar la ingesta dietética de Zn y la absorción diaria total de este elemento. A pesar del efecto positivo de la fortificación de Zn en el total de la absorción de Zn,

sólo unos pocos estudios han encontrado efectos positivos dela fortificación con Zn en las concentraciones séricas de Zn o indicadores funcionales del estado Zn. Por lo tanto, se necesita investigación adicional para determinar el impacto de la fortificación de Zn, con o sin otros micronutrientes, en las poblaciones en riesgo por la deficiencia de Zn (HB 2009). La fortificación con zinc ha sido bastante limitada, generalmente a la leche maternizada para lactantes, alimentos complementarios y listos para comer, como los cereales para el desayuno (A et al, 2006).

Finalmente, la modificación de la dieta y/o diversificación se refieren al uso de estrategias para mejorar el acceso y uso de alimentos ricos en Zn. Hay varias estrategias que se pueden utilizar y aunque algunas se consideran estrategias a largo plazo, son muy razonables. La leche materna es una fuente potencial importante de Zn biodisponible para los niños, por lo que la promoción de los programas de lactancia materna de apoyo a la nutrición adecuada de Zn en los niños pequeños son necesarios. Otras intervenciones para aumentar la disponibilidad, accesibilidad y consumo de alimentos de origen animal o para aumentar el contenido de Zn en alimentos de origen vegetal o para aumentar la absorción de Zn de estos alimentos, debería mejorar la situación de los consumidores. Sin embargo, las evaluaciones rigurosas de los grandes enfoques dietéticos siguen faltando. En el futuro, siempre y cuando los beneficios para la salud sean confirmados, la biofortificación podría convertirse en el enfoque más sustentable para mejorar la nutrición con Zn a través de generaciones en las familias rurales de escasos recursos en los países de bajos ingresos (B et al, 2009; G, 2012).

La reciente publicación de la OMS proporcionó información sobre la forma de determinar los niveles adecuados de fortificación de los programas de fortificación de alimentos convencionales y los enfoques similares pueden ser usados para establecer los niveles deseables de biofortificación. Por otra parte, han sido publicados los niveles específicos recomendados de Zn y Fe para la fortificación de las harinas de cereales. Las recomendaciones para el Zn se basan en estimaciones de la capacidad de las dietas mixtas para satisfacer las necesidades fisiológicas humanas para absorber Zn, utilizando la información de la cantidad de harina que consume la población, el grado de molienda comúnmente practicada, y el consumo de Zn y fitato en el resto de la dieta. Por el contrario, las recomendaciones para el enriquecimiento de Fe se basan principalmente en la experiencia de los programas de intervención anteriores, utilizando diferentes tipos de fortificantes, porque la predicción de la absorción de Fe se complica por el hecho de que se regula en función individual de la condición Fe y es afectado por múltiples inhibidores y facilitadores de absorción. Sin

embargo, los niveles propuestos de enriquecimiento convencional tanto con Zn y Fe puede ser comparados con los objetivos propuestos para la biofortificación en determinadas poblaciones (BB, 2010).

Conclusión

MNM derivadas de la deficiencia de Zn y Fe son un problema de salud pública grave y permanente en el mundo. Estas deficiencias son causadas por las dietas habituales que carecen de la diversidad, las situaciones de inseguridad alimentaria, y la baja ingesta de alimentos con una rica fuente de minerales (principalmente alimentos de origen animal). A pesar de la fortificación de alimentos ha jugado un papel importante en resolver este problema de MNM, esta estrategia tiene dos grandes desventajas: en general depende del financiamiento y es restringido a las zonas urbanas. El aumento de la densidad de micronutrientes en los alimentos básicos, o la biofortificación, puede mejorar la nutrición humana a escala global. La biofortificación puede lograrse mediante fertilización agronómica, sin embargo, en los países en desarrollo, esto no es a largo plazo, el enfoque sostenible. En general la aplicación regular de fertilizantes con Fe son costosas y constituyen un peligro para el medio ambiente.

Por el contrario, la biofortificación mediante el fitomejoramiento tiene multiples ventajas, principalmente que los beneficios llegan a la población en las zonas urbanas y rurales. Por lo tanto, las investigaciones agrícolas internacionales implementan programas con el objetivo de desarrollar cultivos básicos biofortificados. Es bien conocido que la biofortificación mediante el fitomejoramiento es considerado como un enfoque prometedor y rentable para disminuir el problema de la malnutrición, ya sea como una solución independiente o en combinación con la suplementación y fortificación. Sin embargo, algunos trabajos queda por explicar adecuadamente el control genético y los mecanismos moleculares que afectan a la acumulación de Zn y Fe en grano. Además, la evidencia sugiere que el estado nutricional del nitrógeno (N) de las plantas puede tener un impacto positivo en la absorción por las raíces y la deposición de los micronutrientes en la semilla. Además, se considera que la mejora del estado nutricional de nitrógeno en las plantas promueve la acumulación de Fe y Zn en grano.

El mejoramiento genético ha sido el foco principal de los programas para mejorar los cultivos de alimentos básicos con niveles suficientes de Fe y Zn, para satisfacer las necesidades de las poblaciones en situación de riesgo en el mundo. Un amplio rango en el contenido de Fe y Zn en los granos de los principales cultivos se ha asociado con la variación genotípica. Esta variabilidad se explota a través de programas de cría para producir variedades de cultivos ricas en Fe y Zn. Además, este estudio se complementa con información sobre la retención después de la transformación, la biodisponibilidad de la dieta, consumo diario, y la

cantidad necesaria de alimento de las plantas que tienen efectos mensurables sobre el estado de los nutrientes.

Para combatir la MNM también es prioritario estudiar los factores que afectan la biodisponibilidad y que dependen del consumo entre carnes, verduras, alimentos procesados, alimentos fortificados y alimentos biofortificados. La biodisponibilidad del Fe y Zn se pueden mejorar mediante el aumento de los factores dietéticos que mejoran la absorción, por disminución de los factores que inhiben la absorción, o por el aumento de su contenido de la dieta. Hoy en día, la interacción entre todos estos constituyentes dietético es difícil de integrar y se necesita más investigación para entender mejor la relación entre los hábitos alimentarios y el suministro de micronutrientes.

Hasta ahora, las posibles estrategias de lucha contra las deficiencias de Fe y Zn en humanos son suplementación, fortificación, diversificación de la dieta y la biofortificación, su elección dependerá de la magnitud del riesgo, la etapa de la vida del grupo y el paisaje. La disminución de la deficiencia de Fe se ha realizado principalmente a través de los programas de fortificación y suplementación. Además, hay buena evidencia que apoya el impacto beneficioso de las intervenciones de Zn, sobre todo de la suplementación de Zn, pero se necesita más investigación para determinar el impacto de la fortificación de Zn. La reciente publicación de la OMS proporcionó información importante sobre la forma de determinar los niveles adecuados de fortificación de los programas de fortificación de alimentos convencionales y se ha publicado en directrices específicas a los niveles recomendados de Zn y Fe para la fortificación de las harinas de cereales. Estos niveles propuestos de fortificación ayudarán a comparar y apoyar los estudios de los objetivos de mejoramiento propuestos para la biofortificación con Zn y Fe, para entender mejor la relación entre los hábitos alimentarios y el suministro de micronutrientes. Principalmente porque los análisis más económicos sugieren que la biofortificación genética es más efectiva que la diversificación de la dieta, la suplementación o la fortificación para aumentar la ingesta diaria de Fe y Zn en las poblaciones vulnerables.