Evaluation of seaweed extracts from Laminaria and Ascophyllum nodusum spp. as biostimulants in Zea Mays L. using a combination of chemical, biochemical and morphological approaches

Resumo

Os extratos de algas marinhas podem ser empregados como bioestimulantes durante o cultivo de culturas devido aos seus efeitos positivos no desempenho das plantas. Portanto, neste estudo, um extrato de Laminaria (A) e cinco extratos de Ascophyllum nodosum (B–F) foram testados em plantas de milho (Zea mays L.) fornecidas por 2 dias com 0,5 mL L-1 de produtos individuais para avaliar sua capacidade de estimular o crescimento e morfologia radicular, nutrição e acúmulo de açúcares. Primeiramente, os extratos foram caracterizados quimicamente por meio de espectroscopias de infravermelho com transformada de Fourier (FT-IR) e FT-Raman, e seu conteúdo em carbono, nitrogênio, ácidos fenólicos e hormônios (ácido indol-3-acético, IAA e isopenteniladenosina, IPA) foi quantificado . As atividades de auxina e ácido giberélico de todos os extratos também foram determinadas. Os espectros FT-IR e FT-Raman forneceram informações complementares descrevendo padrões espectrais distintos para cada extrato. Bandas atribuídas aos ácidos algínico e urônico foram dominantes nos espectros de FT-IR, enquanto aquelas correspondentes a anéis poliaromáticos foram evidentes nos espectros de FT-Raman. Em geral, os extratos estimularam o crescimento radicular, a nutrição, a atividade esterásica e o teor de açúcar. No entanto, apresentaram grande variação nas características químicas, o que pode explicar sua diferente capacidade em desencadear respostas fisiológicas no milho. Entre os extratos de A. nodosum, por exemplo, o E foi o mais eficiente na promoção de características de morfologia radicular, provavelmente devido ao seu elevado teor em IAA (32,43 nM), enquanto o extrato F foi o mais alto em teor de fenóis (1.933 mg L-1) e o mais bem sucedido em melhorar a nutrição das plantas. Por outro lado, o extrato de C foi muito eficaz em estimular o alongamento radicular, mas não influenciou na nutrição das plantas. Os extratos B e D induziram efeitos positivos semelhantes nas plantas, embora tenham variado muito em composição química. O extrato de Laminaria (A) diferiu dos extratos de A. nodosum, devido ao seu baixo teor de fenóis totais e à presença de atividade IAA e GA-like. Concluímos que todos os extratos de algas marinhas atuaram como bioestimulantes no milho, mas suas propriedades químicas parecem cruciais na previsão da resposta fisiológica preferencialmente provocada por extratos de algas marinhas individuais.

Abstract

Seaweed extracts can be employed as biostimulants during crop cultivation owing to their positive effects on plant performance. Therefore, in this study one extract from Laminaria (A) and five extracts from Ascophyllum nodosum (B–F) were assayed on maize (Zea mays L.) plants supplied for 2 days with 0.5 mL L⁻¹ of single products to evaluate their capacity to stimulate root growth and morphology, nutrition, and sugars accumulation. Firstly, extracts were chemically characterized via Fourier transform infrared (FT-IR) and FT-Raman spectroscopies, and their content in carbon, nitrogen, phenolic acids and hormones (indole-3-acetic acid, IAA, and Isopentenyladenosine, IPA) was quantified. The auxin like- and gibberellic acid -like activities of all extracts were also determined. FT-IR and FT-Raman spectra provided complementary information depicting distinct spectral pattern for each extract. Bands assigned to alginic and uronic acids were dominant in FT-IR spectra, while those corresponding to polyaromatic rings were evident in FT-Raman spectra. In general, extracts stimulated root growth, nutrition, esterase activity, and sugar content. However, they showed high variation in chemical features, which may explain their different capacity in triggering physiological responses in maize. Among A. nodosum extracts for instance, E was the most efficient in promoting root morphology traits, likely because of its elevate content in IAA (32.43 nM), while F extract was the highest in phenol content (1,933 mg L⁻¹) and the most successful in improving plant nutrition. On the other hand, C extract was very effective in stimulating root elongation, but did not influence plant nutrition. B and D extracts induced similar positive effects on plants, although they greatly varied in chemical composition. Laminaria extract (A) differed from A. nodosum extracts, because of its low content in total phenols and the presence of both IAA- and GA-like activity. We conclude that all seaweed extracts acted as biostimulants in maize, but their chemical properties appeared crucial in predicting the physiological response preferentially elicited by individual seaweed extracts.