Molecular characteristics of humic substances from different origins and their effects on growth and metabolism of Pinus laricio callus

Resumo

As susbtâncias húmicas (SH) são cada vez mais aplicadas como bioestimulantes na agricultura, embora seu mecanismo de ação ainda não seja completamente compreendido devido à sua composição complexa e heterogênea. Nesta pesquisa isolamos treze ácidos húmicos e fúlvicos diferentes, de fontes diversificadas, como solos, compostos, turfa, leonardita e linhite, e foi caracterizada a distribuição de seus componentes de carbono por espectroscopia 13C-CPMAS-NMR. Calos de pinus-larício, como espécie de planta modelo, foram tratados com diferentes extratos húmicos e seu crescimento e teor de carboidratos, fenóis e enzimas relacionados ao metabolismo do nitrogênio (invertase, glutamina sintetase, glutamato sintase, fosfoenolia piruvato carboxilase, malato desidrogenase) e resistência ao estresse (catalase) foram monitorados. Enquanto uma análise estatística multivariada dos resultados de NMR separou bem as características do SH com base em sua origem, os materiais húmicos geralmente aumentaram o crescimento de calos, como esperado, com maiores efeitos sendo exercidos pelos ácidos húmicos predominantemente polares dos compostos. Embora os parâmetros medidos não estivessem linearmente relacionados à hidrofobicidade e aromaticidade dos isolados húmicos, sua origem teve que ser levada em consideração para explicar seus efeitos nos componentes celulares das células calosas. Este trabalho confirma que SH de várias origens pode atuar como bioestimulantes sustentáveis do crescimento vegetal, embora a compreensão de seus efeitos sobre as atividades bioquímicas das plantas exija mais pesquisas e compreensão adicional de sua composição molecular e comportamento conformacional.

Abstract

Humic susbtances (HS) are increasingly applied as biostimulants in agriculture, though their mechanism of action is not yet completely understood due to their complex and heterogeneous composition. Here, we isolated thirteen different humic and fulvic acids from different sources, such as soils, composts, peat, leonardite and lignite, and characterized the distribution of their carbon components by 13C-CPMAS–NMR spectroscopy. Callus of Pinus Laricio, as a model plant species, was treated with different humic extracts and its growth and content of carbohydrates, phenols, and enzyme related to the nitrogen metabolism (invertase, glutamine synthetase, glutamate synthase, phosphoenoly pyruvate carboxylase, malate dehydrogenase) and stress resistance (catalase) were monitored. While a multivariate statistical analysis of NMR results well-separated the HS characteristics based on their origin, humic materials generally increased callus growth, as expected, with largest effects being exerted by the mostly polar humic acids from composts. However, the rest of measured parameters were not linearly related to hydrophobicity and aromaticity of humic isolates as well as their origin, but their conformational dynamics had to be advocated to explain their effects on callus cellular components. This work confirms that HS of various origin can act as sustainable biostimulants of plant growth, though the comprehension of their effects on plants biochemical activities requires further research and additional understanding of their molecular composition and conformational behaviour.