Δράση των Χουμικών Ουσιών ως Βιοδιεγέρτες

Έρευνα εφαρμογής Χουμικών στον Αραβόσιτο

Giovanni Battista Conselvan & Diego Pizzeghello & Ornella Francioso & Michele Di Foggia & Serenella Nardi & Paolo Carletti # Springer International Publishing AG 2017

Συμπεράσματα έρευνας

Συμπερασματικά, με αυτήν την εργασία , στοχεύσαμε να δοκιμάσουμε και να συγκρίνουμε τη βιοδιεγερτική δράση των Χουμικών Ουσιών που εξάγεται από διαφορετικούς λεοναρδίτες.

  • Συνολικά, οι  Χουμικές Ουσίες από τον λεοναρδίτη επηρέασαν θετικά την αρχιτεκτονική των ριζών, με διέγερση της επιμήκυνσης και του πολλαπλασιασμού των δευτερογενών ριζών.
  • Αύξησαν την πρόσληψη θρεπτικών συστατικών από τα φυτά και την αποτελεσματικότητα χρήσης θρεπτικών ουσιών και επηρέασαν τον μεταβολισμό του Ν, αυξάνοντας τη δραστηριότητα των ενζύμων GOGAT και GS και ως εκ τούτου την παραγωγή πρωτεϊνών.

Από αυτή τη μελέτη, διαπιστώθηκε ότι οι Χουμικές Ουσίες από τον λεοναρδίτη έχουν ισχυρές βιοδιεγερτικές ιδιότητες, η προέλευση του λεοναρδίτη επηρεάζει τη σύνθεση των κύριων λειτουργικών ομάδων και, κατά συνέπεια, τη βιολογική τους δράση.

Πείραμα και μεθοδολογία

Τα βιοδιεγερτικά είναι φυσικές ενώσεις που ενισχύουν την ανάπτυξη των φυτών και την αποτελεσματικότητα χρήσης των θρεπτικών στοιχείων τους. Στη παρούσα μελέτη, οι βιοδιεγερτικές επιδράσεις των Χουμικών Ουσιών που εκχυλίστηκαν από λεοναρδίτη αναλύθηκαν στον μεταβολισμό των φυτών αραβοσίτου που καλλιεργήθηκαν σε υδροπονικές συνθήκες. Στη συνέχεια, δενδρύλλια αραβοσίτου ηλικίας 11 ημερών υποβλήθηκαν σε επεξεργασία για 48 ώρες με πέντε συγκεντρώσεις (0, 0.1, 0.5, 1 και 10 mg C L−1) Χουμικών Ουσιών. Μετά τη δειγματοληψία αναλύθηκαν, η ανάπτυξη και η μορφολογία της ρίζας, η δράση συνθετάσης της γλουταμίνης (GS), η δραστηριότητα της συνθάσης γλουταμινικού (GOGAT), η περιεκτικότητα σε ολική πρωτεΐνη, η περιεκτικότητα σε διαλυτά σάκχαρα, η δραστηριότητα της αμμωνίας-λυάσης της φαινυλαλανίνης (PAL) και οι διαλυτές φαινόλες και τα ελεύθερα φαινολικά οξέα.

Τα αποτελέσματα από τον λεοναρδίτη είχαν παρόμοιο φασματοσκοπικό μοτίβο, με μικρές διαφορές. Οι Χουμικές Ουσίες από τον λιγνίτη είχαν καρβοξυλικές ομάδες, αρωματικές και αλειφατικές δομές. Ενίσχυσαν τη συνολική ανάπτυξη των ριζών, την επιφάνεια της ρίζας και τον πολλαπλασιασμό των δευτερευόντων ριζών. Η αποτελεσματικότητα της χρήσης θρεπτικών στοιχείων στα φυτά ενισχύθηκε από τις Χουμικές Ουσίες, με αύξηση της δραστηριότητας των ενζύμων GS και GOGAT και της συνολικής παραγωγής πρωτεΐνης. Οι Χουμικές Ουσίες διέγειραν επίσης τη δραστηριότητα του ενζύμου PAL, ακολουθούμενη από υψηλότερη παραγωγή ολικών διαλυτών φαινολών, π-υδροξυβενζοϊκού οξέος, π-κουμαρικού οξέος και χλωρογενικού.

Δράση Χουμικών στην αφομοίωση θρεπτικών στοιχείων

Αρκετές μελέτες έχουν αναφέρει πιθανές σχέσεις μεταξύ των επιδράσεων του λεοναρδίτη στην ανάπτυξη των φυτών και της ικανότητάς τους να βελτιώνουν την πρόσληψη και την αφομοίωση των θρεπτικών συστατικών (Aguirre et al.2009; Tahirietal. 2015). Η έρευνα του Ertani και άλλων (2011) απέδειξε ότι στον αραβόσιτο οι Χουμικές Ουσίες από λεοναρδίτη ενίσχυσαν την αφομοίωση Αζώτου (Ν) και προώθησαν τη φωτοσύνθεση μέσω της αύξησης της περιεκτικότητας σε χλωροφύλλη και της διέγερσης της ενζυμικής δραστηριότητας RuBisCo. Αυτές οι επιδράσεις αποδίδονταν κυρίως σε ένα πολύπλοκο μακρομοριακό σύστημα που αποτελείται κυρίως από πολυαρωματικούς δακτυλίους και μπορεί να εξαρτώνται από την προέλευση και τα χαρακτηριστικά των Χουμικών Ουσιών (Nardi et al.2009). Όσον αφορά την κατανομή λειτουργικών ομάδων, είχε την υψηλότερη περιεκτικότητα σε καρβοξυλομάδες συνδεδεμένες σε αρωματικούς δακτυλίους με λίγους πολικούς υποκαταστάτες. Όταν το αρωματικό συστατικό ήταν κυρίαρχο και αποτελούνταν από πολικούς υποκαταστάτες και αλειφατικές δομές, γεγονός που συσχετίστηκε με κάρβουνα χαμηλής κατηγορίας. Συνολικά, οι Χουμικές Ουσίες επηρέασαν διαφορετικά αλλά σημαντικά την ανάπτυξη των δενδρυλλίων νεροκάρδαμου και μαρουλιού σε ένα μοντέλο λογαριθμικής καμπύλης. Αυτά τα αποτελέσματα αναφέρεται ότι αντικατοπτρίζουν ισχυρές βιοδιεγερτικές ιδιότητες (Scaglia et al.2016). Ωστόσο, το μέγεθος και η φύση αυτών των επιπτώσεων ήταν διαφορετικά ανάλογα με τον τύπο του λεοναρδίτη.

Η σχέση μεταξύ της βιολογικής δραστηριότητας και της δομής των Χουμικών Ουσιών είναι πολύ σημαντική για να κατανοηθούν τα αποτελέσματά τους σε φυτά που έχουν υποστεί αγωγή (Muscolo et al.2007). Ωστόσο, η μοριακή δομή εξακολουθεί να βρίσκεται υπό συζήτηση στην επιστημονική κοινότητα.

Πρόσφατα, οι Χουμικές Ουσίες περιγράφονται ως υπερμοριακές δομές που σχηματίζονται από σχετικά μικρά μόρια που συγκρατούνται μεταξύ τους από μη ομοιοπολικές διαμοριακές αλληλεπιδράσεις (π.χ. δεσμός υδρογόνου, μεταφορά φορτίου (Piccolo2001). Η εξωτερική περιοχή αποτελείται από πολικές ομάδες (π.χ. καρβοξυλικά οξέα) όπου η κατανομή τους είναι ιδιαίτερα σημαντική για τον προσδιορισμό της διαλυτότητας και της βιολογικής δραστηριότητας των Χουμικών Ουσιών (Muscoloetal.2007).

Η παρουσία της καρβοξυλικής ομάδας είναι ένας αντιπρόσωπος για τη βιοδιαθεσιμότητα της αυξίνης που έχει παγιδευτεί στη μοριακή δομή των Χουμικών Ουσιών (Napier2004). Ενώ η υδρόφοβη περιοχή, που αποτελείται από λειτουργικές ομάδες αρωματικών και αμιδίων, σχετίζεται με δραστηριότητα παρόμοια με GA (Pizzeghelloet al.2015). Αυτή η διάκριση μπορεί να μην είναι πάντα εφαρμόσιμη και οι ιδιότητες του λεοναρδίτη μπορεί να τροποποιηθούν σύμφωνα με τις λειτουργικές ομάδες που εκτίθενται στο περιβάλλον υδατικό περιβάλλον (Carletti et al.2010). Ωστόσο, τα φάσματα FT-IR των Χουμικών Ουσιών επιβεβαίωσαν μια διαφορετική περιεκτικότητα σε καρβοξυλικούς και αρωματικούς δακτυλίους που μπορεί να δικαιολογήσει τη βιολογική τους δράση.

Δράση Χουμικών στη ριζοβολία

Το πιο γενικό χαρακτηριστικό στην ανταπόκριση των φυτών στις Χουμικές Ουσίες αφορά στην ανάπτυξη και την αρχιτεκτονική του συστήματος ριζοβολίας, που επηρεάζει κυρίως τον σχηματισμό των πλευρικών ριζών (Canellas and Olivares2014; Nardi et al.2009). Η ριζοβολία είναι ζωτικής σημασίας για την επιβίωση των φυτών σχετικά με τη διατροφή και τις απαιτήσεις ανάπτυξης, τη σύνθεση και τη συσσώρευση δευτερογενών μεταβολιτών και την αλληλεπίδραση με οργανισμούς που δεσμεύουν το άζωτο (Saini et al.2013). Η ρίζα είναι επίσης το πρώτο φυτικό όργανο που στοχεύουν οι Χουμικές Ουσίες στο έδαφος. Σε αυτή τη μελέτη, οι Χουμικές Ουσίες είχαν ισχυρή επίδραση στην αρχιτεκτονική των ριζών του αραβοσίτου, οδηγώντας σε μια συνολική διέγερση της επιμήκυνσης και πολλαπλασιασμού των δευτερευόντων ριζών καθώς και στην αύξηση της διαμέτρου της ρίζας. Η βιοδοκιμασία, έδειξε τις υψηλότερες μορφολογικές αλλαγές στη συσκευή ριζών αραβοσίτου, με αποτέλεσμα μεγαλύτερη επιφάνεια ρίζας, αύξηση στο συνολικό μήκος των ριζών και στη διάμετρο της ρίζας. Αυτό επιβεβαιώνει την επίδραση των καρβοξυλικών συστατικών στις Χουμικές Ουσίες. Η πρωτογενής επιμήκυνση της ρίζας και οι αυξανόμενες πλευρικές ρίζες είναι γνωστοί για τους μηχανισμούς που ενεργοποιούνται από την αυξίνη των φασολιών (De Smet et al.2006), οι οποίοι έχουν πρόσφατα αποδειχθεί ότι καθοδηγούνται από την αυξίνη που έχει παγιδευτεί στις ίδιες τις Χουμικές Ουσίες (Trevisan et al.2010a). Οι επιδράσεις στην αρχιτεκτονική των ριζών συνοδεύονται και από αλλαγές στη βιοχημεία των συστημάτων παραγωγής ενέργειας και μεταφοράς μέσω των πλασματικών μεμβρανών (Canellas et al.200· Zandonadi et al.2007). Όσον αφορά τη διάμετρο της ρίζας, τα αποτελέσματά μας συμφωνούν με προηγούμενα ευρήματα που έδειξαν ότι οι Χουμικές Ουσίες προκάλεσαν υψηλότερο ρυθμό διαφοροποίησης των κυττάρων του κεντρικού κυλίνδρου της ρίζας σε σχέση με το μη επεξεργασμένο σχέδιο το αυξημένο πάχος του κυτταρικού τοιχώματος οφείλεται στην υψηλότερη παραγωγή λιγνίνης σε φυτά που έχουν υποστεί αγωγή με Χουμικές Ουσίες.

Δράση Χουμικών στα Ένζυμα  GS και GOAT

Επίσης, αύξησαν τα ένζυμα που εμπλέκονται στην αφομοίωση του Ν (Baglieri et al.2014). Συγκεκριμένα, οι δραστηριότητες των ενζύμων GS και GOGAT επηρεάστηκαν ευρέως από την παρουσία Χουμικών Ουσιών. Αυτά τα ένζυμα λειτουργούν σε στενή σχέση καθώς η ενσωμάτωση του αμμωνίου (NH4+) σε οργανικές ενώσεις από το GS οδηγεί στην παραγωγή γλουταμικού από γλουταμίνη και α-κετογλουταρικό από το GOGAT. Το σύστημα GS/GOGAT είναι η κύρια μεταβολική οδός για την αφομοίωση του Ν σε ανώτερα φυτά (Mokheleet al.2012) και η διέγερσή του επιβεβαιώνει την ικανότητα των Χουμικών Ουσιών από λεοναρδίτη, να αλληλεπιδρά με τον μεταβολισμό των νιτρικών των φυτών προκαλώντας αύξηση των οργανικών ενώσεων Ν. , όπως υποστηρίζεται από την αυξημένη περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη που καταγράφηκε. Τέτοια αποτελέσματα είναι συνεπή με προηγούμενα, που ελήφθησαν με Χουμικές Ουσίες από άλλες πηγές, όπως κοπρολίτες γαιοσκώληκες και λιγνοσουλφονικά-χουμικά (Carletti et al.2008; Ertani et al.2011). Εκτός από το μεταβολισμό του αζώτου, οι  Χουμικές Ουσίες μπορούν να ρυθμίσουν το μεταβολισμό C αυξάνοντας τη δραστηριότητα των ενζύμων που εμπλέκονται στη γλυκόλυση και στον κύκλο του Krebs (Nardi et al.2007).

Δράση Χουμικών στην αύξηση Γλυκόζης και Φρουκτόζης

Μετά την εφαρμογή των Χουμικών Ουσιών από λεοναρδίτη, η περιεκτικότητα σε υδατάνθρακες, όπως γλυκόζη και φρουκτόζη, αυξήθηκε απότομα στα φύλλα. Οι υδατάνθρακες, που αντιπροσωπεύουν τη βάση του μεταβολισμού των φυτών (Winter and Huber2000), όχι μόνο παρέχουν την ενέργεια που απαιτείται για διάφορες μεταβολικές οδούς, αλλά παρέχουν επίσης σκελετούς άνθρακα για το μεταβολισμό του αζώτου, επομένως η αύξησή τους μπορεί να δικαιολογήσει τη βελτιωμένη δραστηριότητα της αφομοίωσης του αζώτου. Η δράση του PAL, που συντίθεται ως απόκριση στη θεραπεία, έχει ως αποτέλεσμα τη συσσώρευση φαινολικών ενώσεων. Το PAL είναι ένα ένζυμο που καταλύει το πρώτο μεταβολικό στάδιο από τον πρωτογενή στον δευτερογενή μεταβολισμό (Douglas 1996) και απαμινώνει τη φαινυλαλανίνη για την παραγωγή κιναμωμικού οξέος. Η διέγερση του δευτερογενούς μεταβολισμού δικαιολογείται επίσης από την ενισχυμένη δραστηριότητα του πρωτογενούς μεταβολισμού. Επιπλέον, μια μεγαλύτερη συγκέντρωση φαινολών που καταγράφεται στα φυτά μετά από επεξεργασία με λεοναρδίτη, αποτέλεσμα που μπορεί να αφείλεται σε ασθενή αποσύνδεση της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης, η οποία με τη σειρά της αυξάνει τις μεταβολικές διεργασίες που απαιτούν γλυκόζη (Muscolo και Sidari 2006).