Characterization of plant physiological and molecular responses to biostimulant applications

In the last decades, agriculture has been seeking novel strategies to decrease its pressure on ecosystems and the environment and adjust production levels and quality of food to meet the demand of a growing world population. Among the available approaches and technologies, plant biostimulants are promising solutions to improve agricultural practices in this direction. Biostimulants are substances or microorganisms that, irrespective of their nutrient content, can improve plant nutrient use efficiency, plant tolerance to abiotic stresses, and yields and quality traits of harvested products. This thesis aims to contribute to the development of the understanding of biostimulation processes in plants. The approach concerned the evaluation of the effects of different biostimulant substances in two important crops: sugar beet (Beta vulgaris L.) and tomato (Solanum lycorpesicum L.). The molecular and physiological responses were mainly assessed through the analysis of the plant transcriptome, the leaf microbiome composition, and selected morpho-physiological parameters and yield traits. The first contribution included in the thesis presents a study focused on the evaluation of the effects of leonardite applications on sugar beet. Specifically, to assess the impact of leonardite application on the composition of the leaf microbial communities, a comparative analysis of the leaf microbiome of plants grown in laboratory-controlled hydroponic conditions and plants grown in the field was carried out. Moreover, the treatment-induced modulation of expression of key genes related to hormonal and signaling metabolism in leaves and the impact on beet yield traits were also studied. A significant increase in sugar yield was observed in treated plants. Even more, plants treated with leonardite compared with untreated ones had a significant increase in the abundance of Oxalicibacterium spp., a beneficial endophyte bacterial genus, and higher expression levels of LAX2 gene, encoding an auxin transport protein. In the second contribution, the effectiveness of a novel calcium-based biostimulant in reducing the effects of drought stress on tomato plants was evaluated. The adopted approach consisted of transcriptomic analysis combined with physiological profiling. We observed an increased photosynthetic rate, chlorophyll content, and fruit dry matter yield of biostimulant-treated plants under water deficiency compared to standard calcium-based fertilizer. Finally, the third contribution presents a methodological approach for characterizing the effects of a biostimulant product on a model crop. In detail, phenomics and global transcriptomics were used for dissecting responses to an Ascophyllum nodosum extract on tomato plants cultivated in the laboratory, greenhouse, and open field conditions. The gene functional categories most significantly modulated by the treatment were those related to stimulus-response and 2 photosynthesis. Indeed, the seaweed extract promoted tomato net photosynthesis, stomatal conductance, and fruit yield across all culture conditions. Overall, this thesis is providing a contribution to the current knowledge on the plant responses to three selected plant biostimulants: one derived from leonardite and rich in humic acids, a calcium-and-polysaccharides-based formulation, and an Ascophyllum nodosum extract. Data presented are both collected from plants grown in laboratory conditions and from field-cultivated crops. Characterizing biostimulant effects on plants and disentangling their modes of action are critical ongoing challenges that will benefit from the joint effort of scientific community and agriculture stakeholders.

Negli ultimi decenni, il settore agricolo sta ponendo attenzione alla ricerca di strategie innovative per alleviare l’impatto negativo esercitato dalle avversità ambientali sugli ecosistemi agricoli e per adeguare la quantità e la qualità delle produzioni alla popolazione mondiale in continua crescita. Fra i mezzi tecnici oggi a disposizione, i prodotti biostimolanti sono fra quelli più promettenti al fine di mitigare gli effetti negativi dei suddetti fattori di stress. I biostimolanti sono sostanze e/o microorganismi che, indipendentemente dal loro contenuto nutrizionale, hanno la capacità di accrescere nelle piante l’efficienza d’uso dei nutrienti, la tolleranza agli stress abiotici, le rese e alcuni parametri qualitativi dei prodotti raccolti. Il presente lavoro di tesi contribuisce alla comprensione di alcuni di questi processi di biostimolazione in piante coltivate. L’approccio metodologico impiegato ha volto l’attenzione alla valutazione degli effetti di diversi prodotti biostimolanti in due importanti specie vegetali ad ampia diffusione: Beta vulgaris L. e Solanum lycorpesicum L. Sono state studiate le risposte molecolari e fisiologiche attraverso l’analisi del trascrittoma della pianta, lo studio della composizione del microbioma fogliare e la valutazione di parametri morfo-fisiologici e di resa delle colture. Il primo contributo incluso nella tesi presenta uno studio che ha avuto come obbiettivo la valutazione degli effetti dell’applicazione di un biostimolante a base di leonardite su piante di barbabietola da zucchero. In particolare, è stata eseguita un’analisi comparativa del microbioma fogliare di piante coltivate in idroponica in laboratorio ed in pieno campo con lo scopo di comprendere l’impatto del trattamento a base di leonardite sulla composizione delle comunità microbiche associate alla foglia. Inoltre, sono stati analizzati l’espressione di alcuni geni coinvolti nel metabolismo ormonale e nella segnalazione cellulare e l’effetto del trattamento sulle rese produttive e su alcuni parametri della qualità estrattiva della barbabietola. Un aumento significativo nella resa di saccarosio è stato registrato nelle piante trattate. Nelle stesse, è stata inoltre riscontrata una maggior abbondanza di batteri del genere Oxalicibacter, descritti come endofiti che promuovono la crescita della pianta. Infine, il gene LAX2 che codifica per un trasportatore delle auxine, è risultato sovra-espresso nelle piante trattate. Nel secondo contributo, è stata studiata l’efficacia di un formulato biostimolante a base di calcio nel ridurre gli impatti della carenza idrica in pomodoro. Combinando l’analisi del trascritto di piante trattate con una caratterizzazione fisiologica, sono stati osservati un aumento del tasso di fotosintesi netta, del contenuto di clorofilla e del peso secco dei frutti nelle piante sottoposte a stress idrico e trattate con il biostimolante rispetto a quelle trattate con un fertilizzante standard. Infine, il terzo contributo presenta un approccio metodologico per la caratterizzazione degli effetti di un biostimolante in pomodoro. Nello specifico, tecniche di fenomica e trascrittomica sono state impiegate per esaminare le risposte prodotte dal trattamento con un estratto dell’alga Ascophyllum nodosum in piante di pomodoro coltivate in laboratorio, in serra e in pieno campo. Le categorie di geni modulate in modo più significativo dal trattamento sono state quelle implicate nella risposta agli stimoli ambientali e nella fotosintesi. In accordo con questo risultato, nelle piante trattate è stato registrato un più alto tasso di fotosintesi netta, una maggiore conduttanza stomatica e, infine, una resa produttiva più alta in tutte e tre le condizioni di allevamento testate. In conclusione, questa tesi fornisce un contributo alle conoscenze nell’ambito dello studio delle risposte a tre diversi biostimolanti...