Metabolismo de los fructooligosacáridos en la maduración de las raíces de yacón [Smallanthus sonchifolius (Poeppig & Endlicher) H. Robinson]. Un enfoque multidisciplinario.

Abstract

El yacón (Smallanthus sonchifolius) es conocido por su alto contenido de fructooligosacáridos (FOS), compuestos prebióticos beneficiosos para la salud. Este estudio analizó la variación de los FOS durante el crecimiento del yacón en Huancayo, Perú, considerando aspectos agronómicos y bioquímicos. Se evaluaron accesiones seleccionadas de yacón desde los seis hasta los doce meses, siguiendo el comportamiento de las enzimas que regulan la acumulación de FOS. Las accesiones evaluadas mostraron los niveles más altos de FOS a los siete meses de cultivo, siendo ACW 5076 y AMM 5163, las accesiones con los valores máximos. En este mismo tiempo una helada afectó el cultivo con la pérdida de la parte aérea, sin embargo, las plantas iniciaron el rebrote a partir del octavo mes. Se observó que los niveles de FOS en las raíces estaban directamente relacionados con la materia seca y los sólidos solubles, e inversamente con el contenido de fructosa en el periodo evaluado. Las actividades de las enzimas del metabolismo de los fructanos se mostraron muy variables entre las accesiones evaluadas. A diferencia de las enzimas de síntesis, la fructano exohidrolasa (FEH) mostró actividad durante toda la evaluación, su actividad se incrementó después de la helada en el octavo mes, sugiriendo que los FOS estarían siendo utilizados para el rebrote de la parte aérea. El trabajo continuó con la caracterización bioquímica de la FEH, se determinó la actividad óptima de la enzima en un rango de pH de 5-6 y en una temperatura de 30 °C. Se logró además purificar a la enzima mediante cromatografía de filtración en gel, seguida por cromatografía de afinidad y de intercambio aniónico, alcanzando una purificación de la enzima de mas de 100 veces, y obteniendo una proteína de 64.84 kDa con actividad FEH. Finalmente, para poder profundizar en el conocimiento de la enzima, se implementaron las herramientas moleculares para la obtención y clonamiento del ADN complementario (ADNc) y pudo deducirse la secuencia de aminoácidos de la proteína. El análisis filogenético comparativo de la FEH del yacón mostró una alta similitud con su homólogo en Helianthus tuberosus, con una identidad de 87.41 %, y se identificaron los residuos activos conservados típicos de la familia de glucósido hidrolasas GH-J (GH-32 y GH-68). Finalmente, se modeló la estructura 3D de la proteína, evidenciando homología con la enzima 1-FEH IIa de Cichorium intybus. Los hallazgos de este trabajo son una base importante para desarrollar estudios posteriores que permitan conocer los mecanismos de regulación de la enzima y con ello favorecer la producción de yacón orientada al mercado de alimentos funcionales.

Yacon (Smallanthus sonchifolius) is known for its high content of fructooligosaccharides (FOS), prebiotic compounds that are beneficial to health. This study analyzed FOS variation during yacon growth in Huancayo, Peru, taking into account agronomic and biochemical factors. Selected yacon accessions were evaluated from six to twelve months, tracking the behavior of enzymes that regulate FOS accumulation. The evaluated accessions showed the highest FOS levels at seven months of cultivation, with ACW 5076 and AMM 5163 being the accessions with the highest values. During this same period, a frost affected the crop, resulting in the loss of the aboveground parts; however, the plants began to regrow starting in the eighth month. It was observed that FOS levels in the roots were directly related to dry matter and soluble solids, and inversely related to fructose content during the evaluation period. The activities of the enzymes involved in fructan metabolism varied greatly among the evaluated accessions. Unlike the synthesis enzymes, fructan exohydrolase (FEH) showed activity throughout the evaluation; its activity increased after the frost in the eighth month, suggesting that FOS were being utilized for the regrowth of the aboveground parts. The study continued with the biochemical characterization of FEH; the enzyme’s optimal activity was determined to be within a pH range of 5–6 and at a temperature of 30 °C. The enzyme was also successfully purified using gel filtration chromatography, followed by affinity and anion exchange chromatography, achieving a purification factor of over 100-fold and yielding a 64.84 kDa protein with FEH activity. Finally, to further our understanding of the enzyme, molecular tools were implemented to obtain and clone the complementary DNA (cDNA), and the amino acid sequenceof the protein was determined. Comparative phylogenetic analysis of the yacon FEH showed high similarity to its homolog in Helianthus tuberosus, with 87.41% identity, and the conserved active residues typical of the GH-J glycoside hydrolase family (GH-32 and GH-68) were identified. Finally, the 3D structure of the protein was modeled, revealing homology with the 1-FEH IIa enzyme from Cichorium intybus. The findings of this study provide an important foundation for further research aimed at understanding the enzyme’s regulatory mechanisms and thereby promoting yacon production for the functional food market.