Biostimulant effects of different products on the metabolism of agro-food plants

L'agricoltura conservativa rappresenta la strategia principale per soddisfare le crescenti esigenze alimentari e contribuire a un pianeta stabile. Per raggiungere questi obiettivi, una delle soluzioni più promettenti è l'adozione dei biostimolanti. I biostimolanti sono composti naturali che, a basse concentrazioni, sono in grado di migliorare l'assorbimento dei nutrienti delle piante, l'efficienza dell’attività dei nutrienti, la tolleranza agli stress abiotici / biotici e la resa delle colture. Le sostanze umiche (HS) sono considerate una classe di biostimolanti, in quanto hanno effetti positivi sull'assorbimento di macro e micronutrienti, migliorano considerevolmente il metabolismo, la crescita e le rese delle colture agricole. Con questo background, gli obiettivi di questo progetto di dottorato sono stati di i) valutare lo stato metabolico e biochimico delle piante trattate con HS per chiarire i meccanismi di azione dei biostimolanti. Ciò potrebbe consentire lo sviluppo di una seconda generazione di biostimolanti in cui meccanismi di azione sinergici e complementari possono essere considerati. ii) studiare potenziali effetti biostimolanti di un composto fungicida. Nel primo articolo le piante di Arabidopsis thaliana sono state trattate con HS per otto ore. Le proteine delle radici sono state studiate mediante spettrometria MS accoppiata con la tecnica iTRAQ (Isobaric Tag for Relative and Absolute Quantification). Per le radici trattate con HS sono stati identificate 902 proteine, dove 291 proteine erano espresse in modo differenziale. Strumenti bioinformatici come DAVID, KEGG, IIS e Cytoscape sono stati utilizzati per interpretare le funzioni biologiche, l'analisi e la visualizzazione delle proteine connesse identificate. Da questa analisi, è stato possibile valutare che la maggior parte delle proteine differenzialmente espresse sono state funzionalmente classificate in risposta alle sostanze inorganiche, redox omeostasi, metabolismo energetico, sintesi proteica, traffico e divisione cellulare. Con il presente studio è stata fornita una panoramica sulle vie metaboliche più influenzate dall'attività biologica delle HS. Inoltre, dall'analisi degli interattomi e dei cluster di DAVID è stato possibile osservare nuovi effetti di HS, come per esempio sugli interattomi dell’Ubiquitina e del RACK1A. Nel secondo articolo, le piantine di Arabidopsis thaliana, coltivate in condizioni idroponiche, sono state trattate per 8 ore con acido indol-3-acetico (IAA), HS da International Humic Substances Society (IHSS) e HS da feci di lombrico (EF), rispettivamente. Le caratteristiche strutturali delle sostanze umiche sono state analizzate mediante spettroscopie 1H NMR e FT-IR. Nelle foglie e nelle radici, mediante gascromatografia-spettrometria di massa (GC / MS) e tecniche di cromatografia liquida-spettrometria di massa (LC / MS) sono stati identificati e quantificati gli amminoacidi, zuccheri e il contenuto di carboidrati liberi, e gli amminoacidi fogliari ottenuti dall'idrolisi proteica. L'analisi discriminante canonica (CDA) è stata utilizzata per valutare l'influenza dei trattamenti sui parametri studiati. Il trattamento con EF ha avuto la massima influenza sui profili dei metaboliti rispetto al controllo, IAA e IHSS. L'analisi del CDA ha evidenziato una chiara distinzione tra le risposte fisiologiche delle piante trattate con EF e IHSS, in base alle diverse proprietà chimiche e strutturali delle HS. Le piante trattate con IAA non sono invece risultate significativamente differenti dal controllo. Una migliore comprensione degli effetti specifici delle diverse HS, anche in relazione alle loro caratteristiche chimiche, potrebbe servire come base per l'identificazione di composti marcatori per la bioattività delle HS. Nel terzo articolo, l'attività biostimolante delle HS estratte da quattro leonarditi è stata analizzata su piantine di mais. Dopo 48 ore di trattamento con 5 concentrazioni (0, 0,1, 0,5, 1 e 10 mg CL-1) di HS, sono stati analizzati la crescita e la morfologia delle radici, l’attività della glutammina sintetasi (GS), l’attività del glutammato sintasi (GOGAT), il contenuto proteico totale, il contenuto di zuccheri solubili, l'attività della fenilalanina ammonia-liasi (PAL), i fenoli solubili e gli acidi fenolici liberi. Le HS estratte da diverse leonarditi avevano un pattern spettroscopico simile, ma con piccole differenze. HS_USA ha indotto una maggior crescita delle radici, della superficie radicale e della proliferazione delle radici secondarie. HS_4, HS_USA e HS_B hanno determinato una miglior efficienza dell'uso dei nutrienti delle piante, incrementando l'attività degli enzimi GS e GOGAT e la produzione totale di proteine. Le quattro HS hanno stimolato anche l'attività dell'enzima PAL, seguita da una maggiore produzione di fenoli solubili totali. Questo studio ha rilevato che, sebbene l'attività delle HS dipendesse dall'origine della leonardite, questi composti possono essere attribuiti ai prodotti biostimolanti, poiché stimolano la crescita delle piante, il metabolismo dell'azoto e l'accumulo di sostanze fenoliche. Nel quarto articolo è stato studiata l’azione biostimolante del sedaxane, intesa come attività secondaria. Sono stati analizzati i cambiamenti fisiologici in piantine di mais all'aumentare delle dosi di applicazione (25, 75 e 150 μg a.i. seme-1) in condizioni sterili controllate (piante non infette). Sedaxane ha dimostrato avere effetti di tipo auxino- e gibberellino-simili significativi, con i massimi benefici raggiunti alla dose intermedia. La lunghezza della radice (+ 60% rispetto ai controlli non trattati), l'area (+ 45%) e le biforcazioni (+ 51%) sono stati significativamente influenzati. Sedaxane ha incrementato l'attività della glutammina sintetasi (GS) delle foglie e delle radici con conseguente maggiore accumulo di proteine. Sedaxane ha anche incrementato l'attività della fenilalanina ammonia-liasi (PAL) nelle foglie, che potrebbe essere responsabile dell'aumento dell'attività antiossidante (acidi fenolici). Si è concluso che, oltre al suo effetto protettivo, il sedaxane può facilitare lo sviluppo delle radici e intensificare il metabolismo dell'azoto e dei fenilpropanoidi nelle giovani piante di mais e può essere utile per superare gli stress biotici e abiotici nelle prime fasi di crescita. Come conclusione generale, anche se le HS sono state estratte da diverse matrici e applicate su diverse specie di piante, queste hanno mostrato attività biologiche simili. Studi di proteomica e metabolomica hanno confermato che le tecniche "-omics" sono strumenti essenziali per avere una visione "panoramica" sui cambiamenti metabolici che avvengono all'interno di un organismo dopo una perturbazione esterna positiva o negativa.