Effects of green seaweed extract on Arabidopsis early development suggest roles for hormone signalling in plant responses to algal fertilisers

Resumo

A população crescente requer cultivos sustentáveis e ecologicamente corretos. As propriedades de aumento do crescimento das plantas dos extratos de algas sugeriram seu uso como biofertilizantes. O(s) mecanismo(s) pelo qual os extratos de algas afetam o crescimento das plantas são desconhecidos. Examinamos os efeitos dos extratos da alga verde comum Ulva intestinalis na germinação e no desenvolvimento da raiz na planta de Arabidopsis thaliana. Concentrações de extrato de Ulva acima de 0,1% inibiram a germinação e crescimento radicular de Arabidopsis. O extrato de Ulva <0,1% estimulou o crescimento da raiz. Todas as concentrações de extrato de Ulva inibiram a formação de raízes laterais. Um mutante insensível ao ácido abscísico, abi1, apresentou sensibilidade alterada à inibição da germinação e do crescimento da raiz. Os mutantes insensíveis ao etileno e à citocinina foram parcialmente insensíveis à inibição da germinação. Isso sugere que diferentes mecanismos medeiam cada efeito do extrato de Ulva no desenvolvimento precoce da Arabidopsis e que vários hormônios contribuem para a inibição da germinação. A análise elementar mostrou que Ulva contém altos níveis de íons de alumínio (Al3+). Foi sugerido que o etileno e a citocinina funcionam na inibição do crescimento radicular mediado por Al3+: nossos dados sugerem que, se os níveis de Ulva Al3+ inibem o crescimento radicular, isso ocorre por meio de um novo mecanismo. Sugerimos que os extratos de algas sejam usados com cautela como fertilizantes, pois os efeitos inibitórios no desenvolvimento inicial podem superar quaisquer benefícios se a concentração do extrato for muito alta.

Abstract

The growing population requires sustainable, environmentally-friendly crops. The plant growth-enhancing properties of algal extracts have suggested their use as biofertilisers. The mechanism(s) by which algal extracts affect plant growth are unknown. We examined the effects of extracts from the common green seaweed Ulva intestinalis on germination and root development in the model land plant Arabidopsis thaliana. Ulva extract concentrations above 0.1% inhibited Arabidopsis germination and root growth. Ulva extract <0.1% stimulated root growth. All concentrations of Ulva extract inhibited lateral root formation. An abscisic-acid-insensitive mutant, abi1, showed altered sensitivity to germination- and root growth-inhibition. Ethylene- and cytokinin-insensitive mutants were partly insensitive to germination-inhibition. This suggests that different mechanisms mediate each effect of Ulva extract on early Arabidopsis development and that multiple hormones contribute to germination-inhibition. Elemental analysis showed that Ulva contains high levels of Aluminium ions (Al3+). Ethylene and cytokinin have been suggested to function in Al3+-mediated root growth inhibition: our data suggest that if Ulva Al3+ levels inhibit root growth, this is via a novel mechanism. We suggest algal extracts should be used cautiously as fertilisers, as the inhibitory effects on early development may outweigh any benefits if the concentration of extract is too high.