Ascophyllum nodosum extract biostimulant processing and its impact on enhancing heat stress tolerance during tomato fruit set

Resumo

A aplicação de bioestimulantes derivados de extratos da alga marrom Ascophyllum nodosum há muito é aceita pelos produtores por trazer benefícios de produtividade em culturas estressadas. O impacto do método de processamento da biomassa de A. nodosum também é conhecido por afetar as propriedades composicionais e físico-químicas. No entanto, a identificação dos mecanismos pelos quais os parâmetros de processamento dos extratos de Ascophyllum nodosum (ANEs) afetam o desempenho do bioestimulante em culturas sob estresse abiótico ainda é pouco compreendida. Neste estudo, realizamos uma análise comparativa de duas formulações ricas em carboidratos derivadas de A. nodosum: C129, um ANE obtido em baixas temperaturas por meio de uma extração suave e o novo proprietário PSI-494 extraído sob altas temperaturas e condições alcalinas. Testamos a eficiência de ambos os ANEs em condições não estressadas, bem como na mitigação do estresse calórico moderado de longo prazo em tomateiro (Lycopersicon esculentum, cv. Micro Tom) durante o estágio reprodutivo. Ambos os ANEs mostraram efeitos significativos no desenvolvimento da flor, viabilidade do pólen e produção de frutos em ambas as condições. No entanto, PSI-494 excedeu significativamente o efeito de tolerância ao estresse térmico do C129, aumentando o número de frutos em 86% em comparação com plantas não tratadas crescendo sob condições de estresse térmico. A variação na eficácia foi associada a diferentes perfis de distribuição de massa molecular dos ANEs. Alterações bioquímicas e transcricionais específicas foram observadas com termotolerância aumentada. O PSI-494 foi caracterizado como uma formulação de ANE com constituintes de menor peso molecular, que foi associado a um acúmulo de açúcares solúveis e transcrição gênica de proteínas protetoras de choque térmico (HSPs) em flores de tomate estressadas pelo calor antes da fertilização. Esses achados sugerem que bioestimulantes especializados em ANE visando os efeitos negativos de períodos de estresse térmico durante o importante estágio reprodutivo podem levar a ganhos significativos de produtividade.

Abstract

The application of biostimulants derived from extracts of the brown seaweed Ascophyllum nodosum has long been accepted by growers to have productivity benefits in stressed crops. The impact of the processing method of the A. nodosum biomass is also known to affect compositional and physicochemical properties. However, the identification of the mechanisms by which processing parameters of Ascophyllum nodosum extracts (ANEs) affect biostimulant performance in abiotically stressed crops is still poorly understood. In this study, we performed a comparative analysis of two carbohydrate-rich formulations derived from A. nodosum: C129, an ANE obtained at low temperatures through a gentle extraction and the novel proprietary PSI-494 extracted under high temperatures and alkaline conditions. We tested the efficiency of both ANEs in unstressed conditions as well as in mitigating long-term moderate heat stress in tomato (Lycopersicon esculentum, cv. Micro Tom) during the reproductive stage. Both ANEs showed significant effects on flower development, pollen viability, and fruit production in both conditions. However, PSI-494 significantly surpassed the heat stress tolerance effect of C129, increasing fruit number by 86% compared to untreated plants growing under heat stress conditions. The variation in efficacy was associated with different molecular mass distribution profiles of the ANEs. Specific biochemical and transcriptional changes were observed with enhanced thermotolerance. PSI-494 was characterized as an ANE formulation with lower molecular weight constituents, which was associated with an accumulation of soluble sugars, and gene transcription of protective heat shock proteins (HSPs) in heat stressed tomato flowers before fertilization. These findings suggest that specialized ANE biostimulants targeting the negative effects of periods of heat stress during the important reproductive stage can lead to significant productivity gains.