Seed priming con biostimolanti per migliorare la crescita delle colture foraggere e la tolleranza alla siccità

Climate change is exerting profound pressure on agricultural systems, driving the need for innovative and sustainable strategies to ensure crop productivity and food security under increasingly variable environmental conditions. Drought and other abiotic stresses represent major threats to seed germination, plant growth, and yield, while excessive use of chemical fertilizers and growth regulators has intensified ecological and economic concerns. In this context, the exploration of natural, circular bioeconomy-based solutions has become a central goal in modern agronomic research. Among these, plant-based biostimulants (PBs) derived from agri-food waste represent an environmentally sustainable approach capable of enhancing plant vigor, mitigating oxidative stress, and reducing reliance on synthetic inputs. Complementarily, seed priming, a pre-sowing technique that improves germination performance and stress tolerance, provides a practical avenue to translate these principles into climate-resilient agriculture. Understanding the chemical and metabolic diversity of plant germplasm, including volatile organic compounds (VOCs), can reveal natural adaptive traits and guide the identification of resilient varieties suitable for sustainable cropping systems. This work combined physiological, biochemical, and molecular analyses to investigate how plant-based biostimulants and intrinsic genetic diversity contribute to seed performance and stress adaptation in legume and cereal crops. Using soybean and maize as highly relevant agronomic species, plant waste extracts from red chicory, canola, and cauliflower were applied as biostimulant seed priming agents to evaluate their effects on germination dynamics, stress responses, and oxidative metabolism. The work performed was based on integrating quantitative assessments of germination efficiency and reactive oxygen species (ROS) regulation with molecular analyses of key genes associated with stress signalling and homeostasis. Advanced volatilome profiling of Italian maize genotypes, using novel approaches based on proton-transfer-reaction mass spectrometry, allowed to uncover the chemical diversity and potential markers linked to seed quality. Overall, the obtained results allowed to: (1) demonstrate that seed priming with plant-based biostimulants enabled the mitigation of stress response in a genotype and treatments dependent manner; (2) and characterize the volatilome profiling in view of identifying determinants of seed quality. Taken together, this work provide novel into the different facets of metabolic adaptation and paves the way toward more sustainable and resilient agricultural approaches, consistent with the goals of a circular bioeconomy.

Il cambiamento climatico esercita una profonda pressione sui sistemi agricoli, spingendo verso la necessità di strategie innovative e sostenibili per garantire la produttività delle colture e la sicurezza alimentare in condizioni ambientali sempre più variabili. La siccità e altri stress abiotici rappresentano gravi minacce per la germinazione dei semi, la crescita delle piante e la resa, mentre l’uso eccessivo di fertilizzanti chimici e regolatori della crescita ha intensificato le preoccupazioni di natura ecologica ed economica. In questo contesto, l’esplorazione di soluzioni naturali basate sulla bioeconomia circolare è diventata un obiettivo centrale della ricerca agronomica moderna. Tra queste, i biostimolanti di origine vegetale (PBs), derivati da scarti agroalimentari, rappresentano un approccio ambientalmente sostenibile in grado di migliorare il vigore delle piante, mitigare lo stress ossidativo e ridurre la dipendenza da input sintetici. Complementarmente, il seed priming, una tecnica di pretrattamento dei semi prima della semina che migliora la germinazione e la tolleranza agli stress, offre una via pratica per tradurre questi principi in un’agricoltura resiliente ai cambiamenti climatici. Comprendere la diversità chimica e metabolica del germoplasma vegetale, inclusi i composti organici volatili (VOC), può rivelare tratti adattativi naturali e guidare l’identificazione di varietà resilienti adatte a sistemi colturali sostenibili. Questo lavoro ha combinato analisi fisiologiche, biochimiche e molecolari per indagare come i biostimolanti di origine vegetale e la diversità genetica intrinseca contribuiscano alle prestazioni dei semi e all’adattamento agli stress in colture leguminose e cerealicole. Utilizzando soia e mais come specie agronomiche di grande rilevanza, estratti vegetali ottenuti da scarti di radicchio rosso, colza e cavolfiore sono stati applicati come agenti di seed priming biostimolante per valutare i loro effetti sulla dinamica di germinazione, le risposte agli stress e il metabolismo ossidativo. Il lavoro svolto si è basato sull’integrazione di valutazioni quantitative dell’efficienza di germinazione e della regolazione delle specie reattive dell’ossigeno (ROS) con analisi molecolari di geni chiave associati alla segnalazione e all’omeostasi dello stress. L’analisi avanzata del profilo volatilomico di genotipi italiani di mais, condotta mediante nuove tecniche basate sulla spettrometria di massa a reazione di trasferimento di protoni, ha permesso di mettere in luce la diversità chimica e i potenziali marcatori legati alla qualità del seme. Complessivamente, i risultati ottenuti hanno permesso di: (1) dimostrare che il seed priming con biostimolanti di origine vegetale consente di mitigare la risposta allo stress in modo dipendente dal genotipo e dal trattamento; (2) caratterizzare il profilo volatilomico in vista dell’identificazione dei determinanti della qualità del seme. Nel loro insieme, questi risultati forniscono nuove prospettive sulle diverse sfaccettature dell’adattamento metabolico e aprono la strada verso approcci agricoli più sostenibili e resilienti, in linea con gli obiettivi di una bioeconomia circolare.