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 VII Congreso SEAE Zaragoza 2006 Nº 157 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). VII Congreso SEAE Zaragoza 2006 Nº 157 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). VII Congreso SEAE Zaragoza 2006 Nº 157 100 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). VII Congreso SEAE Zaragoza 2006 Nº 157 180 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, VII Congreso SEAE Zaragoza 2006 Nº 157 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, VII Congreso SEAE Zaragoza 2006 Nº 157 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. VII Congreso SEAE Zaragoza 2006 Nº 157 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). VII Congreso SEAE Zaragoza 2006 Nº 157 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. VII Congreso SEAE Zaragoza 2006 Nº 157 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. BIBLIOGRAFÍA Badenes, L.; Raigón, M.D.; Catalá, M. 2004. Determinación de la actividad de la nitrato reductasa en lechugas y su relación con los diferentes cofactores. Trabajo Final de Carrera. Escuela Técnica Superior del Medio Rural y Enología. Universidad Politécnica de Valencia.97 pp. Bartolini, C. 1989. La fertilidad en los suelos. Ed. Mundi-Prensa. Madrid. 140 pp. Bellapart, C. 1995. Peligrosidad de nuestra alimentación. Carácter patógeno de nuestra alimentación industrializada en Nueva agricultura biológica. Ed. Mundiprensa. Madrid. 215-254. Bennett, J.P. 1945. Iron in leaves. Soil Science, 60: 91-105. ElMadfa, I.; Aign, W.; Muskat, E.; Fritzsche, D.; Cremer, H.D. 1998. 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