Herbicidal activity of natural compounds: determination of strategies for improved effectiveness

In this thesis, various parameters and factors affecting the herbicidal activity of natural products, including aqueous extracts, essential oils, and pure compounds obtained from plants native to or adapted to Mediterranean climates, were studied and analyzed to establish strategies that maximize their efficacy without harming crops. The first chapter examines the nature of plant extracts, evaluating which part of the plant (leaves or roots) should be used to obtain extracts with greater herbicidal activity, and determining where a higher concentration of herbicidal secondary metabolites is located, either within the plant itself or in the soil surrounding the roots that receives these exudates. Additionally, the influence of the substrate on the efficacy of natural herbicidal compounds is studied and analyzed, comparing their performance in inert sand, filter paper, and clay-loam agricultural soil. All these experiments were conducted under controlled conditions in Petri dishes. The second chapter addresses the effect of application timing and dosage on the herbicidal activity of natural products through experiments conducted under greenhouse conditions. In the third chapter, the herbicidal effect of formulated natural compounds under greenhouse conditions is studied, highlighting the importance of appropriate formulation, which can enhance their activity, along with their application at the optimal phenological stage to effectively control weed species. This chapter also includes the evaluation of the herbicidal activity of the same formulated compounds in two field trials and the establishment of strategies to optimize their effectiveness under real-world conditions. Finally, the potential synergies among mixtures of natural products with herbicidal activity are explored as a possible tool to develop new herbicides with different modes of action, aimed at preventing the development of resistance and achieving high herbicidal efficacy.The results of this research highlight the potential of several plant-derived compounds as bioherbicides and evaluate strategies to enhance their activity. Ailanthus altissima exhibited strong phytotoxic effects, completely inhibiting the germination of Erigeron canadensis, and showed species-specific activity depending on the plant part used for extract preparation. The various extracts tested also caused delays in germination and seedling malformations.The essential oil of Thymbra capitata demonstrated potent herbicidal activity when applied post-emergence, particularly against dicotyledonous weeds via foliar application and monocotyledonous weeds via soil irrigation. Its efficacy was influenced by the concentration used, the application method, and the phenological stage of the target plants.Among the individual compounds tested, thymol, carvacrol, and eugenol exhibited strong phytotoxic effects, supporting their potential as natural herbicide alternatives. Carvacrol was the most effective against Chenopodium album, while p-cymene showed limited activity. Mixtures containing carvacrol and eucalyptol were the most phytotoxic, with synergistic effects observed in both binary and ternary combinations.These findings support the development of natural herbicides and constitute a basis for the optimization of their phytotoxic activity. Nevertheless, further research under field conditions is necessary to refine their formulations, broaden the spectrum of target weed species, and evaluate their environmental safety, with the ultimate goal of enabling their integration into sustainable weed management systems.

In questa tesi si studiano e analizzano diversi parametri e fattori che influenzano l'attività erbicida di prodotti naturali, inclusi estratti acquosi, oli essenziali e composti puri ottenuti da piante di clima mediterraneo o adattate a tale ambiente, con l'obiettivo di stabilire strategie che massimizzino la loro efficacia senza danneggiare le colture. Nel primo capitolo si analizza la natura degli estratti vegetali, valutando da quale parte della pianta (foglie o radici) sia preferibile ottenere gli estratti per conseguire una maggiore attività erbicida e individuando dove si concentri una maggiore quantità di metaboliti secondari con attività erbicida, sia nella pianta stessa sia nel suolo circostante, arricchito dagli essudati radicali. Inoltre, si studia e analizza l'influenza del substrato sull'efficacia dei composti erbicidi naturali, confrontandone il comportamento su sabbia inerte, carta da filtro e suolo agricolo franco-argilloso. Tutti questi saggi sono stati effettuati in condizioni controllate, su piastre Petri. Nel secondo capitolo si affronta l'effetto del momento di applicazione e della dose sull'attività erbicida dei prodotti naturali, attraverso saggi condotti in condizioni di serra. Nel terzo capitolo, si studia l'effetto erbicida di composti naturali formulati in condizioni di serra, mettendo in evidenza l'importanza di una formulazione adeguata, capace di migliorare la loro attività, in combinazione con l'applicazione nel momento fenologico più adatto, al fine di controllare efficacemente le specie infestanti. In questo capitolo si include anche la valutazione dell'attività erbicida degli stessi composti formulati in due saggi di campo, stabilendo strategie per ottimizzarne l'efficacia in condizioni reali. Infine, si esplorano le potenziali sinergie tra miscele di prodotti naturali con attività erbicida, come possibile strumento per sviluppare nuovi erbicidi con diversi meccanismi d'azione, al fine di prevenire lo sviluppo di resistenze e ottenere un'alta efficacia erbicida.I risultati di questa ricerca evidenziano il potenziale di vari composti di origine vegetale come bioerbicidi e valutano strategie per migliorarne l'attività. Ailanthus altissima ha mostrato forti effetti fitotossici, inibendo completamente la germinazione di Erigeron canadensis. L’attività erbicida degli estratti testati dipendeva dalla specie infestante su cui agivano e dalla parte della pianta utilizzata per ottenerli. I diversi estratti valutati hanno anche provocato ritardi nella germinazione e malformazioni nelle plantule. L’olio essenziale di Thymbra capitata ha dimostrato una potente attività erbicida se applicato in post-emergenza, soprattutto contro infestanti dicotiledoni tramite applicazione fogliare, e su monocotiledoni mediante irrigazione al suolo. La sua efficacia è stata influenzata dalla concentrazione testata, dal metodo di applicazione utilizzato e dallo stadio fenologico delle piante bersaglio.Tra i metaboliti secondari valutati, timolo, carvacrolo ed eugenolo hanno mostrato forti effetti fitotossici, a sostegno del loro potenziale come alternative erbicide di origine naturale. Il carvacrolo è risultato il composto più efficace su Chenopodium album, mentre il p-cimene ha mostrato un’attività limitata. Le miscele contenenti carvacrolo ed eucaliptolo sono state le più fitotossiche, con evidenti effetti sinergici in combinazioni binarie e ternarie.Questi risultati supportano lo sviluppo di erbicidi naturali e costituiscono una base per l’ottimizzazione della loro attività biologica. Tuttavia, sono necessari ulteriori studi in condizioni di campo per ottimizzare le formulazioni, ampliare lo spettro delle specie infestanti target e valutarne la sicurezza ambientale, al fine di consentirne l’integrazione nei sistemi sostenibili di gestione delle infestanti.