Improving root growth in cereals for sustainable cultivation

The topic of my PhD research addresses the study on the effects that some new sustainable crop management practices have on enhancing root growth in two globally important cereal crops, wheat and maize. The structure of the thesis consists of five chapters, corresponding to as many manuscripts already published (2 of 5) or on the way to be published in international scientific journals. In detail, in the first and second chapter were studied the application effects of plant growth promoting microorganisms (PGPMs) on common wheat. The aspects taken under study after their inoculation were: the ability of selected endophityc bacteria and mycorrhizal fungi to colonize and interact with plant organs, the effects on root growth, the promotion of shoot development, the nutitional improvement by increasing N fixation and nutrient availability, the effects on grain yield and other agronomic parameters and finally the environmental significance by evaluating the possibility of cutting chemical fertilization. Microscope investigations revealed an excellent ability of bacteria to adhere to the surface of intact leaves and roots, and to colonize both leaf mesophyll and root vascular tissues in aseptic conditions. Also the mycorrhizal fungus was able to colonize wheat roots efficiently. Bacteria increased the number of root tips and ramifications in sterilized rhizobox soil, regardless of the method of application, and the volumetric root length density in the open field with medium and high N supply, resulting in greater N accumulation. Although the N dose had clear positive effects, no significant variations in grain yield or other agronomic parameters could be ascribed to bacteria inoculation. The arbuscular mycorrhizal fungus allowed remarkable increases in volumetric root length density and root area density at flowering stage at medium and high N fertilization rates in both years, but not a low N rate. While inoculation had a negligible effect on grain yield, which followed a typical N dose-response model, improved uptake of N and other nutrients, particularly P and Zn were recorded at any fertilization rate, although only seldom significant. Last three chapters aimed at investigating the potential rooting activity on maize plants of the recently market-introduced seed-applied fungicide Sedaxane (Syngenta Crop Protection), a novel succinate dehydrogenase complex II inhibitor (SDHI) against soil-borne pathogenic fungi. Laboratory investigations demonstrated that sedaxane has significant auxin-like and gibberellin-like effects, which induced marked morphological and physiological root changes according to an approximate saturation dose-response model. Sedaxane enhanced leaf and root glutamine synthetase (GS) activity resulting in greater protein accumulation, particularly in the shoot, while glutamate synthase (GOGAT) activity remained almost unchanged. Sedaxane also improved leaf phenylalanine ammonia-lyase (PAL) activity, which may be responsible for the increase in shoot antioxidant activity (phenolic acids), mainly represented by p-coumaric and caffeic acids. Under controlled conditions in a greenhouse we evaluated the root growth enhancement side-effect of sedaxane, regardless of the main protective action against pathogenic fungi, in pot-cultivated maize plants subjected to both biotic and abiotic stress conditions in the early phenological stages. The secondary effect of sedaxane on root growth was detectable both in absence and with high Rhizoctonia solani pressure, but it was more evident in the last situation. Significant enhancements in root biomass, length, area and tips quantity were observed, but also shoot parameters, like leaf chlorophyll content and total biomass. Seed-treated plants highlighted positive responses to both adverse growing conditions performed in the experiments reported in the last chapter, a decreasing soil fertility and a drought stress during early phenological stages. Results showed increased growth of shoot, with higher SPAD values, nutrient uptake and antioxidant activity (phenolic acids), as well as a greatly enhanced root growth than controls. Particularly under severe water stress condition, these parameters did not show marked differences from controls, but plants from treated seeds with fungicide were able to maintain a higher rate of transpiration to a lower value of transpirable water in the soil.

Le ricerche condotte durante il mio dottorato hanno riguardato lo studio degli effetti che alcune nuove pratiche sostenibili di gestione colturale hanno nel promuovere la crescita radicale di due colture di importanza globale, frumento e mais. La struttura della tesi consta di cinque capitoli, corrispondenti ad altrettanti articoli già pubblicati (2 di 5) o che stanno per essere pubblicati in riviste scientifiche internazionali. Nel dettaglio, il primo e secondo capitolo riportano lo studio degli effetti dell’applicazione di alcuni microrganismi promotori della crescita (PGPM - plant growth promoting microorganisms) in frumento tenero. Gli aspetti considerati sono stati l’abilità dei batteri endofiti e dei funghi micorrizici selezionati di colonizzare i diversi tessuti vegetali, gli effetti sulla crescita radicale, la promozione dello sviluppo epigeo, l’incremento nutrizionale delle piante dato dalla fissazione azotata e dall’aumento della disponibilità di nutrienti nella rizosfera, gli effetti sulla resa e sugli altri parametri agronomici, la possibilità di ridurre gli apporti azotati da fertilizzanti di sintesi. Le indagini al microscopio hanno evidenziato un’eccellente abilità da parte dei batteri inoculati di aderire alla superficie sia radicale che fogliare delle piante trattate e di colonizzare anche il mesofillo fogliare e i tessuti vascolari delle radici in condizioni di sterilità. I batteri hanno incrementato il numero di apici e ramificazioni radicali delle piante di frumento coltivate in rhizobox con suolo sterilizzato, indipendentemente dal metodo di applicazione (concia del seme o irrorazione fogliare), mentre in pieno campo hanno migliorato la densità di lunghezza radicale con livelli medio-alti di concimazione azotata, determinando anche un incremento dell’accumulo di azoto nei tessuti epigei in confronto alle piante non inoculate. Nessuna variazione significativa della resa o di altri parametri si è invece potuta attribuire all’inoculazione batterica. Anche l’inoculo con i funghi micorrizici ha consentito di incrementare marcatamente la lunghezza e l’area radicale del frumento allo stadio di fioritura con livelli di concimazione azotata medio-elevata, in entrambi gli anni di sperimentazione, mentre nessun effetto è stato osservato impiegando la dose più bassa. Mentre la loro inoculazione ha determinato un effetto del tutto trascurabile sulla resa, che ha seguito il tipico modello di risposta alla dose azotata, un aumento dell’assorbimento di N ed altri nutrienti (P e Zn in particolare) è stato osservato a qualsiasi dose di concimazione adottata, sebbene gli incrementi siano risultati solo in qualche caso significativi. Gli altri tre capitoli riguardano lo studio della potenziale attività biostimolante di sviluppo radicale di un fungicida conciante recentemente introdotto nel mercato contenente Sedaxane® (Syngenta Crop Protection), una nuova sostanza attiva della classe SDHI efficace contro la lotta ad alcuni funghi patogeni terricoli dei cereali. Le analisi condotte in laboratorio hanno dimostrato che il Sedaxane possiede dei significativi effetti auxino- e giberellino-simili, che inducono evidenti modifiche morfologiche e fisiologiche dell’apparato radicale in accordo ad un modello approssimativo di saturazione dose-risposta. Il sedaxane migliora l’attività dell’enzima glutammina sintetasi (GS) sia nelle radici che nelle foglie, risultando in un maggiore accumulo di proteine soprattutto a livello epigeo, mentre l’attività della glutammato sintetasi (GOGAT) è rimasta sostanzialmente invariata. L’applicazione al seme di Sedaxane ha anche incrementato l’attività fogliare della fenilalanina ammonio liasi (PAL), causa del possibile aumento dell’attività antiossidante delle foglie (acidi fenolici), rappresentata principalmente dalla sintesi di acido p-Cumarico e Caffeico. In condizioni controllate in serra è stato valutato l’effetto secondario di accrescimento radicale promosso dal Sedaxane, al di la dell’azione strettamente protettiva nei confronti dei funghi patogeni, in piante di mais coltivate in vaso soggette a stress di tipo biotico e abiotico nei primi stadi fenologici di crescita. L’effetto biostimolante di accrescimento radicale del Sedaxane è stato osservato sia in assenza che in presenza di un’elevata pressione di Rhizoctonia solani, risultando molto più evidente in questa ultima situazione. La biomassa, lunghezza, area e quantità di apici delle radici, ma anche il contenuto di clorofilla nelle foglie e la biomassa epigea, sono aumentati significativamente grazie al trattamento. Le piante sviluppate dai semi trattati con Sedaxane hanno evidenziato risposte positive ad entrambi le condizioni avverse di crescita imposte negli esperimenti descritti nell’ultimo capitolo della tesi, ovvero la mancanza di nutrienti o di acqua disponibile nel terreno durante le prime fasi di crescita. I risultati ottenuti mostrano un incremento della crescita epigea delle piante trattate, con valori di SPAD, assorbimento di nutrienti e attività antiossidante (sintesi di acidi fenolici) maggiori, cosi come un accrescimento radicale superiore rispetto a quello dei controlli in condizioni di stress. In particolare, in una condizione di forte stress idrico, questi parametri non hanno evidenziato differenze sostanziali dai controlli ma le piante sviluppate dai semi trattati sono state in grado di mantenere un tasso di traspirazione maggiore più a lungo, ovvero a livelli elevati nonostante una bassa quantità di acqua disponibile nel terreno.