La microscopía electrónica de barrido en las ciencias agrícolas y pecuarias

La revista +Ciencia de Ingeniería nos comparte un interesante artículo sobre la gran utilidad de la microscopía electrónica de barrido en la solución de problemas en el campo para la producción de alimentos inocuos y de calidad, de origen vegetal y animal.

La revista +Ciencia de la Facultad de Ingeniería nos comparte interesantes artículos como la creación de un generador de pulsos para uso en neurofisiología, el microscopio electrónico de transmisión y la biología celular, así como este sobre la microscopía electrónica de barrido en las ciencias agrícolas y pecuarias.

La microscopía electrónica de barrido en las ciencias agrícolas y pecuarias

Resumen

En el presente ensayo se exploran algunas aplicaciones del Microscopio Electrónico de Barrido (MEB) en la investigación agrícola y pecuaria, dejando evidencia de la gran utilidad de esta técnica en la solución de problemas en el campo para la producción de alimentos inocuos y de calidad, de origen vegetal y animal. La aplicación de esta técnica se extiende a los estudios de poscosecha para el manejo, transporte y exportación de productos hortícolas. El potencial del MEB para el campo mexicano es enorme y prometedor. 

Introducción 

¿Qué es un microscopio?
Alguna vez hemos usado una lupa para observar cosas más pequeñas de lo que el ojo humano (< 0.2 mm) puede percibir. Así los microscopios fotónicos usan lentes de vidrio y la luz como fuente de iluminación. En contraste, los microscopios electrónicos usan lentes electromagnéticas y electrones (ē) como fuente de iluminación, los cuales pueden observar objetos más pequeños que las bacterias (1 µm), como los virus (100 nm) y nanopartículas. Recordemos que un nanómetro es unas mil millonésimas (0.000000001 m) parte del metro (1 x 10 -9).
 

¿Qué es un Microscopio Electrónico de Barrido?
El MEB ilumina o bombardea la muestra con un haz de ē que la recorre de un lado a otro, y la imagen se genera cuando los ē secundarios, emitidos de la muestra, son captados por un detector y convertidos en una imagen analógica o virtual con una gran profundidad de campo que da impresión de ser 3D sin serlo (Figura 1).

Figura 1. Microscopio Electrónico de Barrido convencional JSM 5690 (JEOL, Japón), alto vacío, con EDS (INCAx-act, Oxford Instrument) acoplado. Resolución 3 nm. A y B (MEB de la Unidad de Microscopía Electrónica, COLPOS, Montecillo); C. Formación de la imagen en un MEB por ē secundarios (imagen C tomada de https://myscope-explore.org/2_9_howistheimagemade.html).

¿Por qué el MEB es una herramienta en la investigación agrícola y pecuaria?
El MEB aporta información valiosa sobre la micromorfología externa e interna de estructuras vegetales y animales, lo cual puede impactar en el estudio de plagas y enfermedades agropecuarias, hasta la tecnología poscosecha como se revisará a continuación. 

Caracteres estructurales
La estructura del polen puede ser usada para la identificación de plantas. Es conocido que el polen es fuente común de alergias causadas por proteínas que se ubican en la pared del grano de polen (Figura 2).

Figura 2. Microestructura de granos de polen. A. Grano de polen de nopal (Opuntia spp.); B. Grano de polen del árbol de Colorín (Erythrina coralloides) con Microscopía Electrónica de Barrido (JEM-6390) resolución de 3 nm. Imagen generada en el Laboratorio de Microscopía Electrónica del Colegio de Postgraduados (COLPOS).

Enfermedades en cultivos
El MEB es una herramienta valiosa para la observación, caracterización e identificación de los agentes causales de enfermedades en cultivos que ocasionan grandes pérdidas en el campo. Por ejemplo, México es el 2º productor mundial de chile verde (Capsicum annum) con 3,324,260 ton anuales y hoy es el 1º ex-portador mundial (1). El tipo de chile de mayor producción en el país es el jalapeño, seguido por el morrón y el poblano. Por ejemplo, con técnicas moleculares y microscópicas se identificaron dos hongos que causan la pudrición en plántulas de chile poblano representando grandes pérdidas económicas (2) (Figura 3).
 

Figura. 3 Micrografía electrónica de barrido de macroconidias de Fusarium oxysporum y F. solani hongos causantes de la pudrición de plántulas de chile poblano. (Cortesía: Hilda Victoria Silva Rojas y Mally N. Rivera-Jiménez, COLPOS, Montecillo).

Plagas y parásitos de cultivos
Un insecto plaga que daña las plantaciones comerciales de soya (Glycine max L. Merr.) es el picudo de la soya, Rhyssomatus nigerrimus Fahraeus, un curculiónido que posee en sus antenas una diversidad de sensilas que le sirven para localizar a la pareja, alimento y sitios de ovoposición (3) (Figura 4).
 

Figura 4. Antenas y sensilas de R. nigerrimus, observadas con Microscopía Electrónica de Barrido. Estas estructuras están formadas por un escapo, un pedicelo y un flagelo de nueve segmentos. Cortesía: Juan Cibrián-Tovar y Elsy María Delgado-García, COLPOS, Montecillo.

Los ácaros son arácnidos extremadamente pequeños (< 1 mm) que son parásitos y plagas de muchas plantas y cultivos como los Tetranychus spp que succionan los contenidos celulares de más de 1000 especies de plantas cultivadas y no cultivadas (Figura 5).

Figura 5. Larva del ácaro Tetranychus urticae de tamaño de 1/10 de mm. Con el MEB pueden distinguirse los pliegues en su cuerpo. Cortesía: Dr. Gabriel Otero Colina, Entomología, COLPOS, Montecillo.

Enfermedades poscosecha
Un fruto mexicano de gran potencial es el mamey (Pouteria sapota), pero este requiere refrigerarse (13°C) para su exportación debido a que presenta susceptibilidad a pudriciones internas inducidas por hongos. Con base en características morfológicas y moleculares, los hongos asociados a la pudrición del fruto se identificaron como Pestalotiopsis paeoniicola y Lasiodiplodia theobromae (4) (Figura 6).
 

Figura 6. Fotografía MEB, de conidios y conidióforos de Pestalotiopsis paeoniicola causantes de pudriciones poscosecha en mamey. Cortesía: Daniel Nieto-Ángel y Rafael Gómez-Jaimes, COLPOS, Montecillo.

Tecnología poscosecha de carne 
La tecnología poscosecha tiene la finalidad de mejorar la calidad y vida en anaquel de la carne. El efecto de tratamientos físicos en la microestructura de carne (bovino). El ultrasónico de alta intensidad (HIU) modifica las propiedades fisicoquímicas y funcionales de los productos cárnicos, donde la capacidad de retención de agua y la textura muscular son los más relevantes, propiedades relacionadas con el rendimiento, jugosidad y suavidad de la carne (5). El tratamiento con HIU desorganiza los arreglos fibrilares y miofibrilares e inhibe o mata microorganismos; este ultrasonido ablanda la carne y alarga su vida en anaquel (Figura 7A, 7B). Estas modificaciones estructurales pueden evaluarse con detalle en un MEB.

Figura 7. Efecto de ultrasonido en la microestructura de carne de bovino. A. Corte transversal mostrando fibras y espacios interfibrilares; B. Miofibrillas dentro de la fibra muscular. Cortesía: Luis Manuel Carrillo-López y Alma Delia Alarcón-Rojo, Universidad Autónoma de Chihuahua.

Nutrición de rumiantes
La calidad nutricional de los pastos forrajeros disminuye con la edad. Es importante conocer la estructura vegetal de los pastos, así como los mi-croorganismos ruminales que degradan la pared celular, afectando la digestibilidad y el potencial nutricional del pasto para el ganado. Con ayuda del MEB se ha caracterizado la degradación de estos pastos en el rumen de las vacas (in situ), lo que permite entender la interacción del microbiota bajo diversos tratamientos (6) (Figura 8).

Figura 8. Imagen de MEB. Degradación de Festulolium por bacterias y levaduras después (48 h) de la ingesta por una vaca. Cortesía: Sergio S. González-Muñoz e Isaac Almaraz-Buendía, COLPOS, Montecillo y Universidad Autónoma de Hidalgo.

Tecnología de alimentos: también se han caracterizado encapsulados de proteínas, probióticos y diferentes compuestos que se emplean en la industria alimenticia humana y de rumiantes. Por ejemplo, la caracterización con MEB fue esencial para conocer el diseño y evaluación in vitro de microcápsulas acarreadoras de urea para mejorar la liberación y disponibilidad en el rumen de bovinos (7) (Figura 9).

Figura 9. Micrografías obtenidas en MEB de microcápsulas acarreadoras de urea, encapsuladas con carbón activado y eudragit. Cortesía: J. Efrén Ramírez-Bribiesca y Raymundo Lira-Casas, COLPOS, Montecillo.

Agradecimientos:

Los autores agradecen al Biol. Simón Morales Rodríguez, investigador del Colegio de Postgraduados, quien produjo las fotografías de Microscopía Electrónica de Barrido, en la Unidad de Microscopía Electrónica del Colegio de Postgraduados, SADER.

*Autoras: Hilda Araceli Zavaleta Mancera y Amelia López Herrera del Colegio de Postgraduados en Ciencias Agrícolas, Km. 36.5 Carretera México-Texcoco, C.P. 56230, Texcoco, Estado de México. arazavaleta@colpos.mx y lopez.amelia@colpos.mx

Referencias:

1.    https://nube.siap.gob.mx/gobmx_publicaciones_siap/pag/2021/Panorama-Agroalimentario-2021
2.    Rivera-Jiménez, M., Zavaleta-Mancera, H., Rebollar-Alviter, A., Aguilar-Rincón, V., García-de-los-Santos, G., Vaquera-Huerta, H. et al. Phylogenetics and histology provide insight into damping-off infections of ‘Poblano’ pepper seedlings caused by Fusarium wilt in greenhouses. Mycological Progress (2018), 17(11):1237-1249.
3.    Delgado-García, E., Cibrián-Tovar, J., González-Cama-cho, J., Valdez-Carrasco, J., Terán-Vargas, A., Azuara-Domínguez, A. Caracterización Morfológica de las Sensilas Antenales de Rhyssomatus nigerrimus (Coleoptera: Curculionidae). Southwestern Entomologist (2016), 41(1):225-240.
4.    Gómez-Jaimes, R., Nieto-Ángel, D., Téliz-Ortiz, D., Mora-Aguilera, A., Martínez-Damián, M., Vargas-Hernández, M. Evaluación de la calidad e incidencia de hongos en frutos refrigerados de zapote mamey (Pouteria sapota (Jacq.) H. E. Moore and Stearn. Agrociencia (2009), 43(1):37-48.
5.    Carrillo-López, L., Huerta-Jiménez, M., García-Galicia, I., Alarcón-Rojo, A. Bacterial control and structural and physicochemical modification of bovine Longis-simus dorsi by ultrasound. Ultrasonics Sonochemistry (2019). 58: 104608.
6.    González-Muñoz, S., Zavaleta-Mancera, H., Miranda-Romero, L., Loera-Corral, O, Pinos-Rodríguez, J., Campos-Montiel, R. et al. Histochemical changes in early and mature Festulolium and maturation’s effects on rumen bacteria activity and in vitro degradation. Grassland Science (2018), 65(1): 23-31.
7.    Lira‐Casas, R., Efren Ramírez‐Bribiesca, J., Zavaleta‐Mancera, H., Hidalgo‐Moreno, C., Cruz‐Monterrosa, R., Crosby‐Galván, M. et al. Designing and evaluation of urea microcapsules in vitro to improve nitrogen slow release availability in rumen. Journal of the Science of Food and Agriculture (2018).

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