ACTIVIDAD DE LA NITRATO REDUCTASA Y SU RELACIÓN CON

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VII Congreso SEAE Zaragoza 2006
Nº 157
ACTIVIDAD DE LA NITRATO REDUCTASA Y SU RELACIÓN CON LOS
FACTORES PRODUCTIVOS EN LECHUGA
M.D. Raigón*, M.D. García Martínez*, C. Guerrero*; P. Esteve*.
*Escuela Técnica Superior del Medio Rural y Enología, Universidad Politécnica de
Valencia, Avda. Blasco Ibáñez, 46010 Valencia; Teléfono: 963877347. e-mail:
[email protected]; [email protected]; [email protected];
[email protected].
RESUMEN:
La cantidad de nitratos que se acumula en el material vegetal está relacionada con
diferentes factores, entre los que destaca: el sistema de producción, la intensidad
luminosa durante el periodo de cultivo, la actividad de la enzima nitrato reductasa, así
como la concentración de los diferentes cofactores de las enzimas vinculadas a los
procesos de reducción de las fracciones nitrogenadas.
Este trabajo analiza en una hortaliza de hoja ancha (lechuga), la concentración de
nitratos, nitrógeno total, proteínas, clorofilas además de tres de los cofactores que
intervienen en la reducción del nitrato (sodio, hierro y molibdeno) e intenta establecer
la correlación existente entre los mismos.
Por otra parte se estudia la influencia del tipo de cultivo (ecológico, convencional) en el
proceso de reducción de nitratos, así como las diferencias de todos estos factores,
entre la parte externa e interna del material vegetal.
De los resultados obtenidos, se concluye que en las lechugas procedentes del sistema
agronómico ecológico, se obtiene una mayor eficacia en el proceso de transformación
del nitrógeno absorbido a proteínas, además de producir una menor acumulación tanto
de nitratos frente a las lechugas procedentes de sistemas de producción ecológicos.
Existe una relación positiva entre la actividad de la nitrato reductasa y la concentración
de hierro en el material vegetal. Los valores de la actividad máxima de la enzima
nitrato reductasa es mayor en el material vegetal procedente de los sistemas
agronómicos ecológicos en comparación con bibliografía.
Palabras clave: lechuga, nitratos, cofactores, ecológico, actividad enzimática.
INTRODUCCIÓN
Los nitratos están tomando cada vez más fuerza como parámetro de calidad
del alimento debido a los riesgos que pueden ocasionar a la salud del consumidor. Las
dosis máximas permitidas en el consumo han ido variando con el tiempo, avanzando
siempre hacia mayores exigencias en el control de estos valores.
Actualmente la Organización Mundial de la Salud estipula como máximo admisible de
ingestión diaria de nitratos 5 mg kg-1 y de 0,2 mg kg-1 para nitritos (Bellapart, 1995).
Por otra parte, el nitrógeno es un elemento esencial para las plantas, que necesitan en
grandes cantidades para llevar a cabo multitud de procesos. El nitrógeno es utilizado
para la formación de aminoácidos esenciales que forman parte de las proteínas
necesarias para la planta, así como para formar enzimas o complejos enzimáticos que
darán lugar a una gran cantidad de procesos esenciales para la vida vegetal
(Friedman, 2004).
La existencia de nitrógeno de forma abundante colabora en la formación de clorofila,
que aumenta la actividad fotosintética y por tanto el desarrollo vegetal. Una gran
cantidad de nitrógeno hace que las células de las plantas lleguen más tarde a la
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senectud, manteniéndolas turgentes. Por otra parte, retrasa la lignificación y
endurecimiento de los tejidos. En general, el nitrógeno acelera y mantiene un gran
desarrollo en la planta cultivada (Bartolini, 1989).
Solo algunos organismos procariotas, ya sea por cuenta propia o en asociación con
determinadas plantas, son capaces de fijar el nitrógeno atmosférico. Las plantas
absorben del suelo el nitrógeno mayoritariamente en forma de NO3-, y son capaces de
reducirlo a NH4+, pero esta reducción supone un alto coste de energía para la planta,
ya que requiere de ocho electrones en dos sistemas enzimáticos sucesivos
catalizados por la nitrato reductasa (NR), que verifica la transformación de NO3- en
NO2-, y la nitrito reductasa (NiR), que cataliza la conversión de NO2- a NH4+. Ambos
procesos trabajan independientemente y poseen localizaciones distintas.
NO3-
2enitrato reductasa
6e-
NO2-
NH3
nitrito reductasa
Se pueden distinguir tres tipos de nitrato reductasa (Hansch et al., 2001):
♦ NADH-NR, presente en los sistemas asimiladores de las plantas superiores y
algunas algas clorofíceas.
♦ NAD(P)H-NR, en levaduras y algunas algas verdes.
♦ NADPH-NR, en hongos.
La nitrato reductasa fotosintética es un enzima que posee molibdeno (elemento
esencial para los vegetales solamente en condiciones en que tengan que asimilar NO3o N2 (Neubauer et al., 1999).
Las NR verifican la reacción:
NO3- + NAD(p)H+H+
NO2- + NAD(P)+ + H2O
∆G0 = -34 dcal mol-1 (pH = 7)
La actividad de la NR se puede ver afectada por diversos factores (Ruiz Lozano y
Azcon, 1996). Entre ellos destaca, la velocidad de síntesis y la tasa de su degradación
por enzimas que digieren proteínas. Al parecer, la NR se sintetiza y degrada
continuamente, de manera que estos procesos controlan la actividad de la enzima
regulando la cantidad de NR en las células. Dicha actividad también se ve afectada
tanto por inhibidores como por activadores en el interior de la célula. Aunque es difícil
discriminar los efectos de estos factores, está claro que los niveles elevados de NO3en el citosol aumentan la actividad de NR, en gran parte porque es más rápida la
síntesis de la enzima (Rajasekhar y Oelmüller, 1987). Por tanto, el efecto de la adición
de nitratos en las plantas puede provocar un notable incremento de la actividad nitrato
reductasa. Este es el caso de la inducción enzimática (incremento en la formación de
una enzima a causa de una sustancia en particular). La inducción enzimática es muy
habitual en los microorganismos, pero en los mamíferos y en los vegetales se conocen
pocos ejemplos. La inducción de la NR por NO3- es un ejemplo excelente de inducción
por sustrato, ya que el inductor también es sustrato para la enzima. La inducción de la
NR es muy común en varias partes de muchas plantas. Las células implicadas
conservan energía al no sintetizar NR o bien el ARN mensajero que codifica esa
enzima, hasta que se dispone de NO3-; entonces la enzima comienza a aparecer en
muy pocas horas (Salisbury y Ross, 2000).
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La iluminación incrementa la reducción del nitrato (Matt et al., 2001)
Los efectos de la luz sobre el enzima son muy diversos:
1.
Aumento de la captura de NO3- conducido por los vasos hasta las
hojas.
2.
Mantenimiento de los niveles adecuados de los polirribosomas y de
la capacidad de síntesis de proteínas.
3.
Relación con el sistema fotocromo que determina, entre otros
fenómenos, un notable incremento del transporte de nitrato a través
de las membranas.
4.
Inactivando al inhibidor o inhibidores de la NR formados durante la
oscuridad.
Por tanto, aunque el NO3- es el inductor primario de la expresión de la nitrato
reductasa, la luz incrementa la transcripción del gen y el nivel de proteína que codifica.
Este efecto estimulador de la luz está mediado por el fotocromo. La concentración de
nitratos en el material vegetal está determinada en gran parte por la actividad de la
enzima nitrato reductasa y a su vez por diferentes factores que influyen en la actividad
de ésta, como la concentración de cofactores tales como el hierro, sodio y molibdeno,
entre otros. Por otra parte, los sistemas de manejo en la producción agronómica
pueden influir en la concentración mayor o menor de nitratos en el material vegetal.
Todos estos factores serán determinantes a la hora de evaluar la concentración de
nitratos, así como su reducción a otras formas nitrogenadas, hasta llegar a la
proteínica.
En un estudio previo (Torregrosa et al., 2002) se observó la composición de nitratos
en lechugas, en función del tipo de cultivo (ecológico o convencional) y la parte del
material vegetal analizada (externa o interna). De los resultados obtenidos en este
trabajo se originó la idea de que sería interesante incluir el estudio de la actividad de la
enzima causante de la reducción de los nitratos, para poder conocer mejor que ocurre
en la planta, siempre teniendo en cuenta los posibles factores que la afectan (tipo de
cultivo, riego, etc.)
Por todo ello, el principal objetivo de este trabajo es estudiar la composición en nitratos
y otros parámetros relacionados con la actividad de la nitrato reductasa en hortalizas
de hoja ancha, en concreto lechugas romanas, que han sido producidas bajo cultivo
ecológico. Se ha diferenciado en la misma lechuga dos partes (interna y externa) para
observar si existen variaciones en las distintas concentraciones estudiadas dentro de
la planta.
MATERIAL Y MÉTODOS
El material vegetal empleado para su valoración analítica han sido lechugas (Lactuca
sativa L.), del tipo romanas de la variedad Valladolid procedente de cultivo ecológico y
perteneciente al ciclo de invierno, cultivadas al aire libre y en invernadero en
condiciones climáticas mediterráneas.
Los parámetros estudiados en cada una de las muestras (diferenciadas en hojas
interiores o cogollo y hojas exteriores) han sido: contenido en nitratos (Greenberg et
al., 1992), actividad de la nitrato reductasa, niveles de nitrógeno total y proteína,
niveles de clorofilas a, b y total, contenido en hierro, sodio y molibdeno (MAPA, 1994).
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100
Nitratos (mg NO3-/100 g m.f.)
Nitratos (mg NO3- / 100 g)
RESULTADOS
En la figura 1 se exponen los resultados obtenidos por Torregrosa et al. (2002) para el
caso de lechugas romanas de la variedad Bacio, donde se observa que la
acumulación de los nitratos se incrementa cuando el cultivo se realiza bajo prácticas
agrícolas convencionales. Además, tienden a acumularse en las hojas exteriores más
que en las interiores. En cambio, el contenido en nitrógeno total es mayor en el cogollo
que en la parte externa. Las diferencias en la concentración de nitratos pueden
deberse tanto a factores de manejo (prácticas fertilizantes) como a factores
ambientales (iluminación).
80
60
40
20
0
Convencional
70
60
50
40
30
20
10
0
Exterior
Convencional
Nitrógeno total (%)
Ecológico
Ecológico
100
90
80
Interior
3,30
3,25
3,20
3,15
3,10
3,05
3,00
2,95
2,90
2,85
2,80
Exterior
Interior
Figura 1. Contenidos en nitratos (mg/100 g m.f.) y nitrógeno total (%) en función del
tipo de cultivo (ecológico y convencional) y parte de la planta estudiada (exterior o
interior).
La figura 2 muestra las concentraciones en nitratos obtenidas en 2006 para la lechuga
romana variedad Valladolid. Se observa que las concentraciones son inferiores a las
referidas por Elmadfa (1998), para el caso de lechugas ecológicas (alrededor de 119
mg de nitratos en 100 g de materia fresca), sin diferenciar entre las partes vegetativas
de la lechuga. Los niveles de nitratos obtenidos están muy por debajo de los
establecidos como máximos para lechugas, según el Reglamento (CE) nº 563/2002, el
cual establece un contenido máximo en nitratos de 450 mg por cada 100 g de peso
fresco en el caso de lechugas cultivadas en invernadero, y 400 mg en el caso de
lechugas cultivadas bajo el aire libre. Las concentraciones en nitratos en el material
vegetal analizado no son elevadas, indicando la buena calidad de las lechugas
producidas en condiciones ecológicas, y pone de manifiesto la baja acumulación de
nitratos en la zona productiva de Valencia. La concentración de nitratos tiende a ser
mayor en las partes externas frente a las internas. El hecho de que la acumulación de
nitratos se realice en las hojas exteriores, coincide con otros autores (Merino y
Ansorena, 1993).
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180
mg NO3-/100 g mf
160
140
120
100
80
60
40
20
0
interior
exterior
Figura 2.Contenido en nitratos (mg/100 g de materia fresca) de lechugas romanas
ecológicas en función de la parte estudiada, ensayo 2006.
En cuanto al estudio de la actividad de la enzima reductora de especies nitrogenadas
en el material vegetal (figura 3), cabe decir que se analiza en las lechugas, tanto la
actividad de la nitrato reductasa, como la actividad máxima de la nitrato reductasa, la
diferencia entre ellas es que la primera aporta información de la cantidad de nitratos
que es capaz de reducir en la muestra problema (un gramo de lechuga) durante el
tiempo de incubación, y la segunda informa de la cantidad máxima de nitratos que es
capaz de reducir en el mismo tiempo de incubación, cuando se le incorpora un exceso
de nitratos a la muestra.
NR máxima
NR normal
0,06
0,035
µg NO2-/ g h incubación
µg NO2-/ g h incubación
0,040
0,030
0,025
0,020
0,015
0,010
0,005
0,000
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0
interior
exterior
interior
exterior
Figura 3. Actividad normal y máxima de la nitrato reductasa (μmol NO2- g-1 mf h-1) en
lechugas romanas ecológicas en función de parte analizada.
La tendencia observada para la actividad de la nitrato reductasa en el material vegetal,
es la misma que para la máxima actividad del enzima. Es decir, existe una mayor
actividad de la enzima NR en las hojas exteriores frente a las hojas internas o cogollo
de la lechuga. Estos resultados ponen de manifiesto la inducción enzimática
provocada por la concentración de nitratos, indicando que la mayor concentración de
nitratos en el material vegetal induce a la mayor actividad de la enzima. Las
diferencias en la actividad de la NR entre las hojas internas y externas es menor en el
caso de la actividad máxima, lo que indica y confirma los resultados sobre la inducción
por la concentración de sustrato.
Una alta actividad máxima de la NR en el material vegetal indica mayor viabilidad para
agilizar las cinéticas de transformación de las formas oxigenadas del nitrógeno hacía
las formas reducidas y, por tanto, hacia la formación de formas proteicas,
disminuyendo con ello la concentración de nitratos en el material vegetal. Por contra,
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el contenido en nitrógeno proteico (figura 4), en el material vegetal analizado muestra
mayor contenido en proteína en la zona del cogollo de la planta. Estos datos ponen de
manifiesto, la mayor eficacia en la reducción del nitrógeno hacia las formas amínicas
en el interior del material vegetal, aunque no se corresponda con la tendencia de
concentración de nitratos, si bien otros factores pueden estar implicados.
19
Proteína (%)
18
17
16
15
14
interior
exterior
Figura 4. Contenido en proteína (%) en las lechugas romanas ecológicas lechugas en
función de la parte estudiada.
Existen ciertos microelementos que afectan al proceso de reducción de nitratos como
son el molibdeno (Mondy y Munshi, 1993), el hierro (Sikora y Cieslik, 1999) y el sodio
(Tarakcioglu y Inal, 2002). Cada uno de ellos interviene de un modo distinto y su
importancia es diferente.
En la tabla 1 se exponen los valores promedio de las concentraciones en sodio, hierro
y molibdeno de las 32 muestras de lechugas romanas analizadas, en función de la
parte de la hoja (interna o externa).
Tabla 1. Contenido promedio en sodio, hierro y molibdeno de las lechugas romanas
ecológicas en función de la parte estudiada
Sodio
(mg/100 g m.f.)
Hierro
(mg/100 g m.f.)
Molibdeno
(µg/100 g m.f.)
Interior
Exterior
Interior
Exterior
Interior
Exterior
12,6
20,4
0,25
0,42
0,90
0,76
En promedio, la concentración de sodio en la parte del cogollo es aproximadamente de
7 mg/100 g m.f. menor que en las hojas exteriores. El contenido en sodio en las dos
partes diferenciadas del material vegetal indica que existe una mayor acumulación de
este elemento en las hojas externas. Esto está relacionado con el menor contenido en
nitrógeno proteico, en este tipo de hojas, ya que una elevada concentración en sodio
limita la reducción de nitritos a amoniaco, y por lo tanto la síntesis proteica. Según
Nowakowski (1971), el aumento de la concentración de sodio y el incremento de la
actividad de la nitrato reductasa puede causar una acumulación de nitritos en la planta,
hecho que origina efectos tóxicos en las hortalizas.
El hierro es un elemento que está implicado en varias funciones bioquímicas en la
planta (en la respiración, formación de clorofilas, en la fotosíntesis, en el metabolismo
de las proteínas, en la fijación del nitrógeno, así como en la reducción de nitratos). En
caso de una posible deficiencia de este elemento, diminuiría el contenido en clorofilas,
ya que el hierro y las clorofilas poseen una correlación positiva (Jacobson y Oertli,
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1956), la formación de proteínas sería inhibida (Bennett, 1945) y las reacciones de
oxidorreducción (respiración, fotosíntesis y la reducción de nitratos) se verían
reducidas por no producirse las trasferencias de electrones necesarias.
Las concentraciones en hierro encontradas en las hojas externas de las lechugas
romanas son superiores a las encontradas en las hojas internas. En general, los
niveles de hierro en las hojas de lechuga se corresponden con los datos facilitados por
Badenes et al. (2004), aunque son más bajos que los hallados por otros autores
(Elmadfa, 1998). Los mayores contenidos de hierro en las hojas externas se
corresponden con la mayor actividad de la NR, y por lo tanto deberá favorecer la
acción de esta enzima.
El molibdeno es necesario para la asimilación normal del nitrógeno por las plantas. La
deficiencia de molibdeno en las plantas conduce por lo tanto a una reducción de
actividad de la nitrato reductasa y en consecuencia a una mayor acumulación de
nitratos cuando las condiciones del medio muestran altos contenidos de nitratos. No
obstante, en plantas intensificadas con nitrógeno nítrico, se produce una acumulación
de NO3- en los tejidos y una disminución, correspondiente de los contenidos en
compuestos aminados solubles.
Las concentraciones promedio de molibdeno han sido muy similares, para las hojas
internas y externas de las lechugas romanas, aunque ligeramente superiores para el
caso de las hojas acogolladas, lo que podría justificar el menor contenido en nitratos
en este tipo de hojas. Las diferencias tan mínimas en las concentraciones de
molibdeno, para los dos tipos de hojas, podría ser decisivo en el comportamiento de la
enzima y con ello en el contenido de nitratos en el material vegetal. Sería conveniente
para futuros trabajos, el incrementar las cantidades de molibdeno en el suelo y valorar
su absorción y comportamiento en la planta.
0,5
0,5
0,4
0,4
Clorofila b
Clorofila a
En cuanto al estudio del contenido en clorofilas (clorofila a, clorofila b y clorofila total)
(figuras 5 y 6), los resultados obtenidos indican una mayor concentración localizada en
las hojas externas. Esta tendencia se observa para los tres parámetros.
0,3
0,2
0,1
0,3
0,2
0,1
0
0
interior
exterior
interior
exterior
Figura 5. Contenido en clorofila a y clorofila b (mg/g de materia fresca) en lechugas
romanas ecológicas en función de la parte analizada
El hecho de que exista mayor contenido de clorofilas en las partes externas de las
lechugas se debe a que es en estas hojas donde hay una mayor actividad
fotosintética, gracias a que la intensidad luminosa es más elevada, y repercute en una
mayor pigmentación, por la absorción de la radiación de diferente longitud de onda en
cromóforos específicos. La cantidad de clorofilas se corresponde con una mayor
actividad de la NR.
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1,0
Clorofila total
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
interior
exterior
Figura 6. Contenido en clorofila total (mg/g de materia fresca) en lechugas romanas
ecológicas en función de la parte analizada
El hierro interviene en la reducción de los nitratos ya que se encarga de la
transferencia de electrones mediante la ferredoxina, y además forma parte de la
enzima nitrito reductasa, que contiene un complejo S-Fe. Una mayor concentración de
hierro ayuda a disminuir la acumulación de nitratos y nitritos en la planta. Los
resultados indican que a mayor concentración de hierro la actividad de la NR aumenta,
en todo el material vegetal. La figura 7 muestra la tendencia en el incremento de los
contenidos de ambos parámetros en las muestras analizadas.
y = 0,13x - 0,0177
R2 = 0,4224
Concentración en hierro
0,07
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Actividad nitrato reductasa
Figura 7. Relación entre la concentración en hierro y la actividad de la nitrato
reductasa
Una elevada concentración de sodio limita la reducción de nitritos a las formas
amínicas, acumulando así, el exceso de nitratos en la vacuola de las células
vegetales. Estos efectos negativos han sido puestos de manifiesto por Torres y
Bingham (1973) cuando observaron que al aumentar las concentraciones de NaCl,
aumentaba la absorción de NO3-. Los resultados obtenidos en el presente trabajo
indican que la mayor concentración en sodio en el material vegetal, se corresponde
con una mayor acumulación de nitratos en las hojas de lechuga (figura 8).
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Concentración en sodio
35
y = 0,0702x + 7,6259
R2 = 0,5108
30
25
20
15
10
5
0
0,0
50,0
100,0
150,0
200,0
250,0
Concentración en nitratos
Figura 8. Relación entre la concentración en nitratos y sodio en las hojas de lechuga
Actividad de nitrato reductasa
En la reducción de los iones nitrato es indispensable la energía obtenida en la
fotosíntesis, por ello existe una correlación positiva entre los niveles de clorofila y la
actividad de la nitrato reductasa. Los resultados obtenidos con la lechuga romana
ratifican (figura 9) que a mayor contenido en clorofilas (mayor actividad fotosintética),
se obtiene una mayor actividad de la nitrato reductasa.
y = 0,0541x - 0,0061
R2 = 0,5207
0,08
0,07
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0
0,000
0,200
0,400
0,600
0,800
1,000
1,200
1,400
1,600
Clorofila total
Figura 9. Relación entre la actividad de la nitrato reductasa y los niveles de clorofila
total en las hojas de lechuga
Otras tendencias observadas entre los parámetros analizados en las hojas de lechuga
en el presente trabajo han sido que al disminuir la cantidad de sodio aumenta el
contenido en nitrógeno proteico, esto reafirma el aumento del nitrógeno nítrico y el
efecto perjudicial de las altas concentraciones en sodio, en detrimento de la reducción
del nitrógeno a proteína. Además, el aumento del contenido del nitrógeno proteico va
acompañado de un aumento de la actividad de la NR. También indicar que la mayor
concentración de molibdeno en las hojas de lechuga, se relaciona con el mayor
contenido en clorofila total.
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CONCLUSIONES
Los niveles elevados de la actividad máxima de la enzima nitrato reductasa en las
lechugas romanas de origen ecológico indican la mayor destreza de estas hortalizas
sometidas a manejo ecológico, para la reducción del nitrógeno nítrico, cuya
acumulación en los tejidos vegetales puede ser peligrosa, a nitrógeno proteico y por lo
tanto a la transformación hacia un nutriente de alto valor biológico.
En general las concentraciones en nitratos halladas para en las lechugas ecológicas
es bajo, en relación a las encontradas en el material vegetal procedente de sistemas
de producción convencional, o a los datos bibliográficos. Por otra parte, el contenido
en nitrógeno total es elevado (2,7%), lo que indica que el rendimiento del proceso de
transformación hasta proteína está siendo eficaz.
La cantidad de clorofilas, indicador de la actividad fotosintética, así como el contenido
en hierro y en molibdeno, influyen positivamente en el proceso global de reducción del
nitrato, y la alta concentración de sodio influye negativamente. Las lechugas
ecológicas presentan una elevada relación del nivel de clorofilas y de la concentración
en hierro, con la actividad de la NR, por lo que se corrobora la presencia de estos
analitos, con la elevada cinética de transformación del nitrógeno, desde las formas
nítricas a las proteicas, en las lechugas. También se concluye que la mayor
concentración en sodio se relaciona con una elevada cantidad de nitratos y por lo
tanto, la repercusión negativa que deriva sobre la calidad de las hortalizas.
Con el manejo ecológico para la producción de lechugas romanas, en condiciones
mediterráneas en cultivo de invierno, se obtienen hortalizas equilibradas en los
cofactores que influyen óptimamente en la actividad de la NR y en la menor
acumulación de nitratos en el material vegetal.
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