dipt. dafne, università dellatuscia, italy · zhang e schmidt della virginia polytechnic istitute...
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Giuseppe Colla
Dipt. DAFNE, Università dellaTuscia, Italy
Email: [email protected]
Biostimolanti in agricoltura
Zhang e Schmidt della Virginia Polytechnic Istitute and
State University proposero per la prima volta nel 1997 il
termine ‘biostimolante’ per indicare ‘materiali che
applicati in piccole quantità promuovevano la crescita
delle piante’
I biostimolanti a cui si faceva riferimento erano acidi
umici ed estratti di alghe di cui si proponeva un
azione ormonale
Un po’ di storia
Kauffman et al. (2007) riprese la definizione di
biostimolante con alcune modifiche definendo i
biostimolanti ‘materiali diversi dai fertilizzanti che
promuovono la crescita applicati a basse dosi’
Inoltre introdussero una prima classificazione dei
biostimolanti in tre gruppi:
-acidi umici
-estratti di alghe
-prodotti contenenti amminoacidi
Un po’ di storia
Legislazione italiana
D.Lgs. 75/2010 e successiva modifica del 10 luglio 2013
sezione “Prodotti ad azione specifica su pianta –
Biostimolanti”
‘prodotti che apportano ad un altro fertilizzante o al suolo
o alla pianta, sostanze che favoriscono o regolano
l’assorbimento degli elementi nutritivi o correggono
determinate anomalie di tipo fisiologico’
Prodotti ad azione su suolo
- Inoculi di funghi micorrizici
- Estratto umico derivante da acque di vegetazione delle olive
Prodotti ad azione su pianta -biostimolanti
- Idrolizzato proteico di erba medica
- Idrolizzato enzimatico di Fabaceae
- Epitelio idrolizzato animale
- Estratto di erba medica, alghe e melasso
- Estratto acido di alghe famiglia ‘Fucales’
Legislazione italiana
D.Lgs. 75/2010 e successiva modifica del 10 luglio 2013
Nel Giugno 2011 è stato fondato l’EBIC
con l’obiettivo di proporre
Definizione biostimolante
Classificazione
Metodi analitici
Istituzione a livello legislativo di questa
nuova categoria di prodotti a livello
europeo
Tavolo tecnico
Classificazione (Du Jardin, 2012)
Sostanze umiche
Materiali organici complessi
Elementi chimici benefici
Sali inorganici incluso fosfito
Estratti di alghe
Chitina e derivati del chitosano
Antitraspiranti
Amminoacidi ed altri composti azotati
Biostimolanti sono sostanze e/o microrganismi che
applicati alla pianta o rizosfera stimolano processi naturali
che migliorano l’efficienza d’assorbimento e
d’assimilazione dei nutrienti, la tolleranza a stress abiotici
e la qualità del prodotto.
I biostimolanti non hanno effetti nutrizionali significativi ed
effetti diretti su parassiti e patogeni e quindi non rientrano
nelle categorie dei fertilizzanti e pesticidi
Acidi umici
Estratti di alghe
Idrolizzati proteici
Biostimolanti
Le sostanze umiche sono sostanze che provengono alla decomposizione
della sostanza organica e dall’attività metabolica dei microrganismi
Sono sostanze molto eterogenee classificate sulla base del peso molecolare
e della solubilità:
Umine (non solubili in acqua)
Acidi umici (solubili in acqua a pH alcalino e precipitano a pH 1-2)
Acidi fulvici (solubili in acqua a tutti i pH)
Sostanze umiche
Sostanze umiche
Estratte da depositi di leonardite, lignite, torba, compost, vermi-compost
Effetti degli acidi umici nel substrato
- Azione complessante sui cationi (elevata CSC)
- Maggiore biodisponibilità nutrienti per effetto tampone su pH
- Riduzione attività ioni potenzialmente fitotossici (Na+, Cl-)
Canna da zucchero Mais Pomodoro Arabidopsis
-HS +HS
-HS -HS -HS +HS +HS +HS
Effetti sulla radice
(Atiyeh et al., 2002)
Acidi umici in pomodoro
Acidi umici e assorbimento nutrienti
- aumentano superficie radicale
- stimolano attività trasportatori radicali dei nutrienti (es.
nitrato) e degli enzimi coinvolti nel processo di assimilazione
- attivano metabolismo secondario e accumulo antiossidanti
Acidi umici e assorbimento nutrienti
Attivazione trasportatori nutrienti
presenti sulla superficie delle cellule
radicali
Proliferazione radicale
Radici
Trasporto e metabolismo
Acidi umici
Aumento tolleranza a stress abiotici (es. siccità)
Incremento resistenza verso patogeni (es. peronospora)
Acidi umici e resistenza a stress
Acidi umici come vettori di
microrganismi utili
Acidi umici essendo recalcitranti a degradazione
microbica si prestano a veicolare inoculanti microbici
nella rizosfera (biofertilizzanti)
20 mg HAC L-1
109 cellule mL-1 Herbaspirillum seropedicae
400 L ha-1 at V6 stage
Estratti di alghe
Prodotti ottenuti per estrazione da alghe verdi, rosse o brune
Ulva sp. Chondrus sp.
Palmarla sp.
Ascophyllum nodosum
Fucus sp.
Laminaria digitata Ecklonia maxima
Raccolta
Estrazione
Lavaggio, centrifugazione e filtrazione
Estrazione in acqua ad alta pressione
Estrazione in alcool (es. citochinine in etanolo o
gibberelline in metanolo)
Estrazione in ambiente alcalino (es. auxine)
Estrazione assistita con microonde (es. fucoidano)
Estrazione con CO2 nello stato supercritico
Fermentazione
Caratteristiche degli estratti di alghe
- Polisaccaridi
- Fitormoni (auxine, citochinine, poliammine)
- Fenoli
- Sali minerali
Estratto di alghe e rucola in floating
Controllo
Estratto alga
Controllo
Estratto alga
Pro
du
zio
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(g
/m2)
Bio
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(g
/m2)
Are
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re (
cm
2)
Vernieri et al., 2006
Effetti su resistenza a stress biotici
Polisaccaridi presenti negli estratti fungono da elicitori
promuovendo l’attivazione di risposte di difesa a stress
nella pianta
Enzimi pectici
Patogeno
Cellula vegetale
Patogeno
Effetti su resistenza a stress biotici
Applicazioni fogliari di estratto a base di A.
nodosum riducevano danni da peronospora e
sclerotinia
Applicazioni radicali di estratto a base di A.
nodosum stimolava microflora antagonista nel
suolo riducendo danni da Pythium ultimum
Effetti su resistenza a stress biotici
Applicazioni fogliari di estratto
a base di A. nodosum riduceva
la popolazione di acari rossi in
melo e fragola
Applicazioni fogliari di estratto a base
di A. nodosum rendevano le piante
meno attrattive verso gli afidi
Applicazioni radicali di estratto a
base di Ecklonia maxima
riducevano danni da nematodi
Controllo Estratto
Temperatura
Salinità
Siccità
Tolleranza a stress abiotici
Meccanismi coinvolti
Aumento radici e rapporto radici/parte aerea
Migliore stato nutrizionale
Efficiente ormoregolazione (accumulo betaine)
Riduzione formazione ROS (azione citochinine)
Aumento attività enzimi di difesa da stress ossidativo
Idrolizzati proteici
Prodotti contenenti una miscela di
aminoacidi e peptide ottenuti per idrolisi
chimica, enzimatica o mista di proteine di
origine animale o vegetale
Idrolisi chimica/termica
(acidi o basi; t fino a 138°C) Idrolisi enzimatica
(proteasi; t fino a 60°C)
Test PH
Idrolizzato
proteico
Caratteristiche degli idrolizzati proteici
- Contenuto di azoto organico
- Composizione amminoacidica
- Amminoacidi liberi
- Peptidi
- Altre molecole (triacontanolo, poliammine)
- Grado di racemizzazione degli amminoacidi (% forme
destrogire su totale amminoacidi)
Caratteristiche idrolizzati proteici
Parametro Idrolizzato
proteico da
collagene per
idrolisi chimica
Idrolizzato proteico
da leguminose per
idrolisi enzimatica
Contenuto di azoto ++ +
Rapporto C:N + ++
Amminoacidi liberi ++ +
Grado di racemizzazione +++ +
Peptidi + ++
Cloro e sodio ++ +
AMINOACIDI Idrolizzato proteico vegetale
per via enzimatica Idrolizzato proteico da
collagene per via chimica
Alanine 4.0 9.5
Arginine 6.5 8.5
Aspartic Acid 11.3 6.3
Cysteine 1.4 ND
Glutamic Acid 18.5 11.3
Glycine 4.6 27.2
Histidine 2.6 0.8
Hydroxyproline ND 12.3
Hydroxylisine ND 1.0
Isoleucine 4.3 2.0
Leucine 8.1 3.7
Lysine 6.7 4.5
Methionine 1.4 0.8
Phenylalanine 5.6 2.5
Proline 5.3 15.1
Serine 6.0 3.4
Threonine 3.9 2.3
Tryptophan 1.4 ND
Tyrosine 4.4 0.9
Valine 5.6 3.4
Effetti degli idrolizzati proteici
- Nutrizione delle piante
- Stimolazione della crescita
- Tolleranza a stress abiotici
- Qualità del prodotto
- Attività microbica
Nutrizione delle piante
Idrolizzati proteici possono migliorare lo stato nutrizionale
piante in quanto:
- gli amminoacidi rappresentano una fonte diretta di azoto
- gli aminoacidi e peptidi complessano i nutrienti
prevenendone l’insolubilizzazione
- gli aminoacidi e peptidi stimolano specifici enzimi coinvolti
nell’assorbimento e assimilazione nutrienti
Peptidi
Azione ormonale
- Fitormoni
- Aminoacidi
- Peptidi
Composto Unità
Auxina nmol mg-1 carbon 18.46
Citochinina nmol mg-1 carbon 0.055
(Ertani et al., 2014)
Fitormoni in idrolizzato proteico di origine vegetale
Peptide promotore della radicazione (RHPP) identificato in
un idrolizzato proteico di origine vegetale
A: Talee non trattate
B: Talee trattate con RHPP
(Matsumiya, 2011)
Prova su pomodoro
A B
Brassica rapa
A: controllo
B: trattate con RHPP
Attività auxino-simile
Gly-Gly-Ile-Arg-Ala-Ala-Pro-Thy-Gly-Asn-Glu-Arg
Tolleranza a stress abiotici
- Temperature estreme
- Siccità
- Salinità
- Bassa luminosità
Meccanismi resonsabili della maggior tolleranza a stress
- Aumento sviluppo radicale e rapporto radice/parte aerea
- Miglioramento della nutrizione delle piante
- Aumento della stabilità delle membrane cellulari
- Accumulo di osmoliti (es. prolina)
- Aumento degli antiossidanti
- Cambiamento del bilancio ormonale
Soluti organici compatibili
Osmoliti organici responsabili del bilancio osmotico ed allo
stesso tempo compatibili con il metabolismo cellulare
Osmoprotettori in quanto stabilizzano le macromolecole
in condizioni di stress da disidratazione e termico
Glicina-betaina
Prolina
• Osmoregolazione
• Protezione della funzionalità delle membrane dalla disidratazione
• Riserva di C e N
• Formazione di vacuoli a livello radicale in cui si accumula il Na che
quindi viene trasportato in minor misura nella parte epigea
• Detossificazione della cellula dai radicali liberi
• Maggior accumulo di K nella parte epigea
• Abbassamento del punto di congelamento dei tessuti vegetali
• Protezione degli enzimi dalla denaturazione
• Attivazione di geni responsabili della sintesi di enzimi coinvolti
nella tolleranza a stress
Effetti fisiologici della prolina e glicina-betaina
Tolleranza alla salinità in lattuga
Idrolizzato proteico
Qualità dei frutti
Gli idrolizzati proteici promuovono l’accumulo di proteine,
zuccheri e antiossidanti nei frutti
Meccanismi coinvolti
- Aumento fotosintesi
- Riduzione scheletri carboniosi per sintesi amminoacidi
- Attivazione del metabolismo secondario
- Apporto precursori responsabili aromi (es. l’alanina, l’isoleucina, la leucina
e la valina), colore (es. fenilanina è il precursore della biosintesi delle
antocianine) e sapore (es. l’arginina, l’alanina, la glicina e la prolina).
(Ertani et al., 2014; Gurav and Jadhav, 2012; Parrado et al., 2007)
Idrolizzato
proteico
(g/m2)
Produzion
e foglie
(kg/m2)
Nitrati
(mg/kg)
0 4,03 b 1.530 a
0,75 5,06 a 1.160 b
(Liu et al., 2008)
Nitrati
Gli idrolizzati proteici possono ridurre l’accumulo di nitrati negli ortaggi
I nitrati possono generare nitriti e nitrosamine che sono considerate
tossiche per salute umana.
Peso fresco
g/pi
anta
X
10
2 m
g/kg
Nitrati
Nitrati
Effetto della forma azota su produzione
e accumulo di nitrati in cavolo cinese
Conclusioni
I biostimolanti presentano grosse potenzialità per migliorare la
sostenibilità delle colture
I biostimolanti sono più efficaci se applicati frequentemente a
basse dosi, soprattutto per via radicale
L’azione biostimolante varia in relazione alla coltura, allo stadio
fenologico ed alle condizioni ambientali
I biostimolanti possono presentare una certa variabilità nella
composizione in funzione della materia prima e del processo
produttivo
Una normativa europea sui biostimolanti è necessaria per
promuovere la crescita del settore e prevenire frodi
Grazie per l’attenzione
Corso sui biostimolanti
Verona - 23 ottobre 2015
www.fritegotto.it