Renewable Sources of Plant Biostimulation: Microalgae as a Sustainable Means to Improve Crop Performance

Resumo

Bioestimulantes de plantas (PBs) atraem interesse na agricultura moderna como uma ferramenta para melhorar o desempenho das culturas, resiliência ao estresse ambiental e eficiência no uso de nutrientes. Os PBs abrangem diversas substâncias orgânicas e inorgânicas (ácidos húmicos e hidrolisados de proteínas), bem como procariotos (por exemplo, bactérias promotoras do crescimento de plantas) e eucariotos, como micorrizas e macroalgas (algas marinhas). As microalgas, que compreendem cianobactérias eucarióticas e procarióticas (algas verde-azuladas), estão atraindo crescente interesse de cientistas, extensionistas, indústria privada e produtores de plantas devido à sua natureza versátil: estrutura unicelular simples, alta eficiência fotossintética, capacidade de crescimento heterotrófico, adaptabilidade para águas residuais domésticas e industriais, receptividade à engenharia metabólica e possibilidade de produzir co-produtos valiosos. Por outro lado, a produção e colheita de biomassa em larga escala ainda representam um gargalo para algumas aplicações. Embora se saiba há muito tempo que as microalgas produzem várias macromoléculas complexas que são ativas em plantas superiores, suas aplicações direcionadas na ciência agrícola ainda estão em sua infância. Este artigo apresenta uma visão geral dos principais métodos de extração de microalgas, seus compostos bioativos e métodos de aplicação na agricultura. Mecanismos de bioestimulação que influenciam o desempenho da planta, fisiologia, resiliência ao estresse abiótico, bem como o microbioma da planta também são descritos. Considerando o estado da arte atual, são discutidas perspectivas para pesquisas futuras sobre bioestimulantes à base de microalgas, desde o desenvolvimento de produtos altamente eficazes sob medida para culturas até sua aplicação para aumentar a sustentabilidade na agricultura.

Abstract

Plant biostimulants (PBs) attract interest in modern agriculture as a tool to enhance crop performance, resilience to environmental stress, and nutrient use efficiency. PBs encompass diverse organic and inorganic substances (humic acids and protein hydrolysates) as well as prokaryotes (e.g., plant growth promoting bacteria) and eukaryotes such as mycorrhiza and macroalgae (seaweed). Microalgae, which comprise eukaryotic and prokaryotic cyanobacteria (blue-green algae), are attracting growing interest from scientists, extension specialists, private industry and plant growers because of their versatile nature: simple unicellular structure, high photosynthetic efficiency, ability for heterotrophic growth, adaptability to domestic and industrial wastewater, amenability to metabolic engineering, and possibility to yield valuable co-products. On the other hand, large-scale biomass production and harvesting still represent a bottleneck for some applications. Although it is long known that microalgae produce several complex macromolecules that are active on higher plants, their targeted applications in crop science is still in its infancy. This paper presents an overview of the main extraction methods from microalgae, their bioactive compounds, and application methods in agriculture. Mechanisms of biostimulation that influence plant performance, physiology, resilience to abiotic stress as well as the plant microbiome are also outlined. Considering current state-of-the-art, perspectives for future research on microalgae-based biostimulants are discussed, ranging from the development of crop-tailored, highly effective products to their application for increasing sustainability in agriculture.