STUDIES OF QUALITY AND NUTRIENT USE EFFICIENCY IN VEGETABLE CROPS GROWN UNDER DIFFERENT SUSTAINABLE CROPPING SYSTEM

The purpose of the Ph. D. research project was to investigate the effects of biostimulant products on leafy vegetables (lettuce and rocket) and deepen the knowledge on their mode of action. The first part of the work regarded the further deepening of the effects of aqueous extracts obtained from leaves (LE) and flowers (FE) of Borago officinalis L. on lettuce, involving phenomic, agronomic, physiological, and biochemical aspects. Results showed that borage extracts enhanced the primary metabolism. Total flavonoids and phenols, as well as the total protein levels, the in vitro PAL specific activity, and the levels of PAL-like polypeptides increased by all borage extracts, with particular regards to FEs. FEs also proved efficient in preventing degradation and inducing an increase in photosynthetic pigments during storage. In conclusion, borage extracts, with particular regard to the flower ones, appear indeed to exert biostimulant effects on lettuce. The borage extracts were also applied on rocket plants, to investigate the influence of treatments on nitrate assimilation pathway and on the molecular responses. Gene expression analysis of the main enzymes involved in the nitrate metabolism (DtNR, DtNiR, DtGLU, DtGS1, DtNTR) was evaluated. From the biochemical point of view, the most interesting result was surely the substantial reduction of nitrate level caused by both extracts, confirmed also by the increment of the NR in vivo activity. Borage treatments influenced also the gene expression, confirming that extracts have a role in the physiological processes in which the considered genes are involved. In addition, work regarding borage extracts characterization was carried out. The auxin- and gibberellin-like activity of extracts on maize mutants was explored and, due to the multitude properties attributed to borage, the allelopathic effects of borage extracts on seeds germination of different plant species was investigated. LE treatment seems to possess a slight auxin-like activity. The bioassay on allelopathic properties of borage LE and FE demonstrated that they exert an effect on seeds germination (inhibition effect). The work included also an activity carried out in collaboration with a private company to study the effectiveness of commercial biostimulants and prototypes on leafy vegetables quality and protection against abiotic stresses (salt stress).

Lo scopo del progetto di dottorato è stato quello di valutare gli effetti a livello fisiologico, biochimico e molecolare di prodotti biostimolanti su ortaggi da foglia (lattuga e rucola) e di approfondire la conoscenza sulla loro modalità di azione. La prima parte del lavoro ha riguardato lo studio degli effetti di estratti acquosi di foglie (LE) e fiori (FE) di Borago officinalis L. su piante di lattuga, attraverso l’utilizzo di tecniche di fenomica, agronomia, fisiologia e biochimica. I risultati ottenuti hanno mostrato come gli estratti di borragine siano in grado di aumentare il metabolismo primario e secondario nelle piante trattate. La concentrazione di flavonoidi totali, fenoli e proteine totali, come anche l’attività in vitro della PAL e dei relativi livelli di proteine hanno mostrato un aumento a seguito dei trattamenti, in particolare dopo l’applicazione dell’estratto a base di fiori di borraggine. L’estratto di fiori si è dimostrato efficace anche nel prevenire la degradazione dei pigmenti fotosintetici durante la conservazione post raccolta di foglie di lattuga. Si può quindi affermare che gli estratti a base di borragine, in particolare l’estratto a base di fiori, sembrano possedere attività biostimolante su piante di lattuga. Gli stessi estratti sono stati applicati anche su piante di rucola, per verificare l’influenza dei trattamenti sul metabolismo del nitrato e osservare le risposte indotte a livello molecolare. È stata effettuata l’analisi dell’espressione genica dei principali geni che codificano per gli enzimi coinvolti nel metabolismo del nitrato (nitrato reduttasi DtNR, nitrito reduttasi DtNiR, glutammato sintasi DtGLU, glutammina sintetasi DtGS1, trasportatore del nitrato DtNTR). Il risultato più interessante è stato, a livello biochimico, la marcata riduzione della concentrazione di nitrato nelle foglie di rucola a seguito dei trattamenti, influenza confermata anche dall’incremento dell’attività della nitrato reduttasi in vivo. I trattamenti hanno influenzato anche l’espressione dei geni studiati, confermando che gli estratti testati hanno un ruolo nei processi fisiologici in cui tali geni sono coinvolti. Sono state anche svolte analisi mirate ad una migliore caratterizzazione gli estratti. È stata valutata l’attività ormono-simile degli estratti su mutanti di mais e, considerando le numerose proprietà attribuite alla borragine, è stata anche testata la possibile attività allelopatica degli estratti sulla germinazione di differenti specie erbacee. L’estratto a base di foglie ha mostrato un moderato effetto auxino-simile. Entrambi gli estratti di borragine sembrano possedere un effetto di inibizione sulla germinazione delle specie testate. È stata inoltre condotta un’attività in collaborazione con un’azienda multinazionale per valutare l’efficacia di alcuni biostimolanti commerciali e prototipi sulla qualità di ortaggi da foglia e sulla protezione contro stress di tipo abiotico (in particolare stress salino).