Attività biostimolante delle sostanze umiche

Prof. Serenella Nardi

Università di Padova Dipartimento di Agronomia, Alimenti, Risorse Naturali,

Animali e Ambiente.

Biostimolanti in orticultura - Stato dell’arte: cosa, come e quando. Centro Sperimentale Ortofloricolo Po di Tramontana- Rosolina (RO)

15 novembre 2019

Principali categorie di biostimolanti:

1. Inoculanti microbici

2. Sostanze umiche

3. Idrolizzanti proteici

4. Estratti di alghe

Tradizionale classificazione delle sostanze

umiche basata sulla solubilità (circa 1820)

Le sostanze umiche non sono macropolimeri,

ma aggregazioni di molecole diverse e di basso

peso molecolare stabilizzate da deboli legami

(legami-H, forze di van der Waals, π-π, CH- π),

in fragile conformazione.

Teoria supramolecolare del processo di

umificazione

• Effetti fisici (struttura del suolo)

• Effetti chimici ( donatore di

nutrienti)

• Effetti biologici (crescita,

metabolismo e interazione con

i micro-organismi)

Le sostanze umiche sono naturalmente

presenti nei suoli

L’attività biologica delle sostanze umiche riguarda

tutte le attività che tali sostanze compiono nel regolare

i processi biochimici e fisiologici nelle piante.

Questi effetti dipendono:

a) Materiale organico di partenza (Hernando et

al., 1977)

b) Procedura di estrazione e purificazione

c) Concentrazioni (Elgala et al., 1978)

d) Specie ed età delle piante (Guminski, 1968)

e) Diversi tipi di allevamento

f) Numero di trattamenti e calendario

g) Trattamento radicale o fogliare

Attività Biologica delle SU

Crescita (dimensione degli organi e loro

sviluppo) e morfologia della radice.

Trasporto dei nutrienti

Ciclo dell’azoto

Metabolismo primario

Metabolismo secondario

EFFETTI:

Foto di radici di grano al microscopio SEM.

Controllo HMS-HS

Concheri, G., Nardi, S., Reniero, F., Dell'Agnola, G., 1996. The effects of humic substances within the Ah horizon of a Calcic Luvisol on morphological changes related to invertase and peroxidase activities in wheat roots. Plant and Soil 179, 65-72.

Controllo

HMS-HS

Foto di radici di grano osservate al microscopio (LM).

Nardi, S., Concheri, G., DellAgnola, G., 1996. Biological Activity of Humus. In: Piccolo, A. (Ed.), Humic Substances in terrestrial ecosystems. ELSEVIER, Amsterdam, pp. 361-406.

Foto di radici di grano osservate al TEM (Trasmission electron

microscopy)

Controllo HMS-HS

Nardi, S., Concheri, G., DellAgnola, G., 1996. Biological Activity of Humus. In: Piccolo, A. (Ed.), Humic Substances in terrestrial ecosystems. ELSEVIER, Amsterdam, pp. 361-406.

Schmidt et al., Plant Soil (2007)

Piante cresciute per 6 giorni con o senza 5 mg C org/l.

Controllo HMS-HS

Canellas et al., 2008

Cambiamenti morfo –funzionali dell’architettura delle radici.

Zandonadi et al., (2007) Planta; Canellas et al., (2008) Soil Sci. Canellas et al., (2010) Chemospheare.

Fisiologia / Metabolismo

Nutrizione / Trasporto (macro e microelementi)

Induzione del trasporto del nitrato / H+-ATPasi

plasma membrana

EFFETTI

Muscolo, et al., 2007. Journal of Chem Ecol 33, 115-129.

Fluorescence labeling of bound IAA in

carrot cell culture after 72 hr of incubation.

Fluorescent membrane staining was present in IAA and the HS treated cell cultures.

Fluorescein-labeled interaction with carrot cells in culture

compared to indole-3-acetic acid.

Fluorescence labeling of bound FA in

carrot cell culture after 72 hr of

incubation.

Le SU e l’auxina sono in grado di attraversare la membrana cellulare.

• sintesi proteica

•Dell’Agnola and Ferrari, 1971

•Vaughan et al., 1985

• Nardi et al., 2000

• cinetica del trasporto • Cacco et al., 2000

• attività H+-ATPase

microsomale

• Maggioni et al., 1987;

• Nardi et al., 1991;

• Pinton et al., 1992

• Varanini et al., 1993

• attività H+-ATPasica del

plasmalemma e del tonoplasto

• Pinton et al., 1997

• Pinton et al., 1999

• Canellas et al., 2002

Trasporto dei Nutrienti

Pinton et al., 1999 Canellas et al., 2002

Attività biologica delle SU

Quaggiotti et al., 2004

Influsso di NO3- e

trascrizione di geni codificanti

per l’H+-ATPasi Mha2 e i

trasportatori del NO3-

(Assoribimento

NO3 – )

Assimilazione del NO3-

NO3- NO2

- NH4+

NR

NiR

AS

18 s

18S 19 GIU 15X55°C 30-30-30 GEL 1,5%

H H+tq -N -N+tq -P -P+tqC C +HA -N -N+HA C C+HA -N -N+HA

Foglie Radici

AS

18 s

18S 19 GIU 15X55°C 30-30-30 GEL 1,5%

H H+tq -N -N+tq -P -P+tqC C +HA -N -N+HA C C+HA -N -N+HA

Foglie Radici

Gene expression

18S

CTR HS

NR

18S 19 GIU 15X55°C 30-30-30 GEL 1,5%

H H+tq -N -N+tq -P -P+tq

Foglie Radici

C C+HA -N -N+HA C C+HA -N -N+HA

18s

NR

18S 19 GIU 15X55°C 30-30-30 GEL 1,5%

H H+tq -N -N+tq -P -P+tq

Foglie Radici

C C+HA -N -N+HA C C+HA -N -N+HA

18s

NR

18S Gene expression

Vac

caro

S. P

hD

th

esis

, 20

07

AspAT

CTR HS

Vaccaro, S., Muscolo, A., Pizzeghello, D., Spaccini, R., Piccolo, A., Nardi, S., 2009. Effect of a Compost and Its Water-Soluble Fractions on Key Enzymes of Nitrogen Metabolism in Maize Seedlings. Journal of Agricultural and Food Chemistry 57, 11267-11276.

PEP [E.C. 4.1.1.31]

Nardi, S., Muscolo, A., Vaccaro, S., Baiano, S., Spaccini, R., Piccolo, A., 2007. Relationship between molecular characteristics of soil humic fractions and glycolitic pathway and krebs cycle in maize seedlings. Soil Biology & Biochemistry 39, 3138-3146.

Glicolisi

Nardi, S., Muscolo, A., Vaccaro, S., Baiano, S., Spaccini, R., Piccolo, A., 2007. Relationship between molecular characteristics of soil humic fractions and glycolitic pathway and krebs cycle in maize seedlings. Soil Biology & Biochemistry 39, 3138-3146.

Ciclo di Krebs

Metabolismo secondario: attività dell’enzima PAL

Schiavon et al. 2010. High molecular size humic substances enhance phenylpronoid metabolism in maize (Zea mays L.)

Indoleacetic acid into HS ELISA immuno-enzimatic test by

monoclonal antibodies

Radio-immunoassay (RIA) in fluid phase

by polyclonal antibodies

Antibodies

GC-MS

GAS

CROMATOGRAM of

the standard methylated IAA (A)

and the gas chromatogram of the

methylated HA isolated from

earthworm compost

Canellas, L.P., Olivares, F.L., Okorokova-Facanha, A.L., Facanha, A.R., 2002. Humic acids isolated from earthworm compost enhance root

elongation, lateral root emergence, and plasma membrane H+-ATPase activity in maize roots. Plant Physiol. 130, 1951-1957.

HS from earthworm faeces 0.3 – 0.5%

HS from forest soils 0.0045 – 0.0363%

Muscolo, A., Cutrupi, S., Nardi, S., 1998. IAA detection in humic

substances. Soil Biology & Biochemistry 30, 1199-1201.

Pizzeghello, D., Nicolini, G., Nardi, S., 2001. Hormone-like activity of

humic substances in Fagus sylvaticae forests. New Phytologist 151, 647-

657.

HS HORMONE-LIKE

ACTIVITY

IAA +

anticorpi

FA +

anticorpi

controllo

IAA

FA

Inibizione della radice di crescione

Muscolo, A., Cutrupi, S., Nardi, S., 1998. IAA detection in humic substances. Soil Biology & Biochemistry 30, 1199-1201.

Espianti fogliari di Nicotiana plumbaginifolia trattate con SU e ormoni

In the presence

TIBA the leaf

explants were

without roots.

Per confermare…..

Nardi et al., 1996. Humic substances in terrestrial ecosystems

DR5::GUS construct marker to monitor the endogenous IAA distribution (Sabatini et al., 1999; Casimiro et al., 2001)

Trevisan, S., Pizzeghello, D., Ruperti, B., Francioso, O., Sassi, A., Palme, K., Quaggiotti, S., Nardi, S., 2010. Humic substances induce lateral root formation and expression of the early auxin-responsive IAA19 gene and DR5 synthetic element in Arabidopsis. Plant Biology 12, 604-614.

Pizzeghello, D., Francioso, O., Ertani, A., Muscolo, A., Nardi, S.,

Isopentenyladenosine and cytokinin-like activity of different humic

substances. Journal of Geochemical Exploration 2013

Elisa Test (enzyme linked immunosorbent assay)

•Anti-IPA monoclonal antibody

•Standard curves (IPA and HS)

Protein

Degradation

Cell Wall Signaling

Regulation Red-ox System

Protein Synthesis

Hormone

Metabolism

Jasmonate

Secondary

Metabolism

Lignin

Biosynthesis

Benzoaxinone

Biosynthesis

Cell Cycle RNA Synthesis Regulation of

Transcription RNA Processing

Unclassified

No Ontology

Protein

Modification

Transport

ADP-ribosylation factor

14-3-3 GF14-6

RAN GTP binding Protein

Sucrose Synthase 1,2

Alpha-1,4-glucan

-protein synthase

UDP glucosyl

transferase BX9

Phenylalanine

ammonia-lyase

Malate dehydrogenase

Peroxidase

Vacuolar ATP Synthase

ATP Synthase

Allene Oxide Synthase

Lipoxygenase

Cell organization

Vesicle transport

Methionine Synthase

eIF5A

Glyceraldehyde-3-phosphate

dehydrogenase

Triosephosphate isomerase

3-glucanase

Alpha-Tubulin chain 1,5

Actin

Annexin p33 p35

Kinesin heavy chain

http://gabi.rzpd.de/projects/MapMan/ Thimm O. et al. Plant J. (2004) 37(6):914-39. UpRegulated,DownRegulated, NoChange,Qualitative

DNA Synthesis DNA Repair

-e-

+e-

Starch and Sucrose

Metabolism

Acidi Organici

Le sostanze umiche estratte con gli acidi organici.

Dell’Agnola and Nardi 1987: Nardi et al., 1988; Nardi et al., 1989; Nardi et al., 1991; Nardi et al., 1994 and 1996.

SU estratte con essudati radicali

Nardi, S., Reniero, F., Concheri, G., 1997. Soil organic matter

mobilization by root exudates of three maize hybrids. Chemosphere

35, 2237-2244.

Nardi, S., Concheri, G., Pizzeghello, D., Sturaro, A., Rella, R., Parvoli, G., 2000. Soil organic matter mobilization by root exudates. Chemosphere 41, 653-658.

SU estratte con essudati radicali

1) Aumento della crescita

2) Aumento della radici secondarie

3) Aumento della concentrazioni di AIA e ABA nella radice

4) Aumento della concentrazione di citochinine nel germoglio

5)Non c’è aumento nella radice dell’attività ATPasica

6) Non c’è aumento nel germoglio di nutrienti minerali

7) Aumento nella radice di JA e Jatle

8) Aumento di acido salicilico nel germoglio

1) Aumento della crescita

2) Aumento delle radici laterali

3) Aumento della concentrazioni di AIA e ABA nella radice

4) Aumento della concentrazione di citochinine nel germoglio

5) Aumento nella radice dell’attività ATPasica

6) Aumento nel germoglio di nutrienti minerali

7) Aumento nella radice di JA e Jatle

8) Non c’è aumento di acido salicilico nel germoglio

Applicazione radicale Applicazione fogliare

Effetti delle SU in relazione alla modalità di applicazione

• SU sono il risultato di un ‘talking’ tra

radice e suolo

• SU sono importanti BIOSTIMOLANTI

• La loro azione è estremamente

complessa ed è dovuta alle loro

caratteristiche strutturali e alle sostanze

bioattive intrappolate nella loro matrice