Innovative biostimulants to improve nutrient use efficiency and resistance to abiotic stress in vegetable crops
Author(s)
Leporino, Marzia
Date Issued
July 10, 2025
Type
Doctoral Thesis
Abstract
Modern agriculture is increasingly challenged by climate change-induced abiotic stresses,
particularly drought, which limits water availability for key physiological processes like
photosynthesis and nutrient uptake. Drought leads to cellular dehydration, disrupts biochemical
functions, and can cause stunted growth and reduced yield. With global temperatures rising and
unpredictable rainfall patterns intensifying, drought stress is expected to worsen, threatening food
security as the global population is expected to grow exponentially. Additionally, soil alkalinity, often
coupled with drought, exacerbates nutrient deficiencies by reducing the availability of essential
micronutrients, further hindering plant growth.
Agricultural practices involving excessive water use for irrigation and synthetic fertilizers, often
result in significant environmental costs, highlighting the need for efficient and sustainable
alternatives. Biostimulants, particularly plant-derived protein hydrolysates, including chelating
peptides as biochelate fertilizers, offer a promising solution to enhance plant resilience to drought and
improve nutrient uptake in challenging conditions. While previous studies have shown the benefits
of these biostimulants, there is limited understanding of their long-term efficacy under severe drought.
This research aimed to evaluate the effectiveness of plant-derived protein hydrolysates (P-PHs) in
improving drought tolerance, enhancing nutrient uptake, and supporting stress recovery in tomato
plants exposed to both drought and alkaline soil conditions. To achieve this, a combined approach
involving high-throughput phenotyping and metabolomics was employed. High-throughput
phenotyping utilized advanced imaging technologies to monitor key plant traits, providing real-time,
non-destructive data on growth and stress responses. Complementing this, metabolomics analysis
helped identify metabolites linked to stress, nutrient uptake, and antioxidant activity, offering deeper
insights into the physiological effects of biostimulants on plants. Together, these technologies shaped
a strong framework for assessing the impact of biostimulants on plant health under challenging
environmental conditions.
The research was conducted with a step-by-step approach, beginning with short-term experiments
aimed at understanding the mode of action of P-PHs. These initial experiments used high-throughput
phenotyping and metabolomics to non-destructively monitor plant growth and health, while
simultaneously analysing the changes in metabolites related to stress responses. This approach
enabled a comprehensive assessment of how P-PHs influence plant physiology and resilience,
providing valuable insights into their potential as biostimulants for enhancing drought tolerance and
nutrient uptake. P-PHs were evaluated for their dual role: enhancing drought stress tolerance through
repeated water stress cycles and improving nutrient uptake by acting as chelating peptides under
alkaline conditions. Building on the initial findings, the second phase extended the research into longterm
experiments to examine the sustained impact of P-PHs under prolonged drought stress and its
effect on overall plant yield. This phase aimed to determine whether the short-term benefits observed
in drought tolerance and nutrient uptake translated into measurable improvements in productivity,
offering a more comprehensive understanding of the role of biostimulants in enhancing agricultural
sustainability under climate-induced stress.
In the short-term experiments, P-PHs were found to be effective in enhancing tomato plant
resistance to drought stress. They promoted more effective recovery after water stress cycles.
Metabolomics analysis revealed that P-PHs positively modulated primary metabolism by increasing
dipeptides, which serve as a carbon source for gluconeogenesis during water shortage and act as
signalling molecules, in addition to up-regulated compounds involved in transpiration,
osmoregulation, and antioxidant activity, further supporting plant resilience under stress. In
experiments comparing biochelates with synthetic chelates at different application rates, the type and
rate of fertilizer did not significantly affect digital biomass traits recorded by 3D imaging. However,
metabolomics highlighted how biochelates notably enhanced phenolic pathways, strengthening
antioxidant defences and modulating stress responses in the plants. In the long-term experiment, while
optimal water availability significantly improved plant biomass and fruit yield, water stress led to
enhanced fruit quality, particularly in terms of sugar concentration and antioxidants. However, PH
treatments, whether applied as foliar sprays or root drenches, did not significantly impact biomass,
yield, or fruit quality under prolonged drought conditions. Metabolomic analysis showed that stressrelated
metabolites were elevated in stressed plants, but PH did not induce significant metabolic
changes in the fruits, suggesting that the intensity of the drought may have exceeded the threshold
where PHs can effectively support long-term growth and productivity.
The results of these experiments suggest that plant-derived protein hydrolysates can be effective
in mitigating the negative effects of drought on tomato plants in the short term, but their effectiveness
diminishes under severe drought conditions, highlighting the need for further research to optimize
their use. Additionally, biochelate-based fertilizers were found to be a sustainable alternative to
synthetic chelates for supporting micronutrient nutrition under alkaline conditions, offering a
promising solution for improving plant resilience in challenging environments.
L’agricoltura moderna si trova sempre più frequentemente a dover affrontare le sfide poste dagli
stress abiotici indotti dai cambiamenti climatici, in particolare la siccità, che limita la disponibilità
idrica per processi fisiologici fondamentali come la fotosintesi e l’assorbimento dei nutrienti. La
siccità provoca disidratazione cellulare, altera le funzioni biochimiche e può causare crescita stentata
e riduzione della resa. Con l’aumento delle temperature globali e l’intensificarsi di eventi piovosi
imprevedibili, si prevede che lo stress da siccità peggiorerà, minacciando la sicurezza alimentare in
un contesto di crescita esponenziale della popolazione mondiale. Inoltre, l’alcalinità dei suoli, spesso
associata alla siccità, aggrava le carenze nutrizionali riducendo la disponibilità di micronutrienti
essenziali, ostacolando ulteriormente la crescita delle piante.
Le pratiche agricole che prevedono un uso eccessivo di acqua per l’irrigazione e di fertilizzanti di
sintesi comportano spesso costi ambientali significativi, evidenziando la necessità di soluzioni
alternative efficienti e sostenibili. I biostimolanti, in particolare gli idrolizzati proteici di origine
vegetale, inclusi i peptidi chelanti utilizzati come fertilizzanti biochelati, rappresentano una soluzione
promettente per migliorare la resilienza delle piante alla siccità e ottimizzare l’assorbimento dei
nutrienti in condizioni difficili. Sebbene studi precedenti abbiano dimostrato i benefici di tali
biostimolanti, resta limitata la comprensione della loro efficacia a lungo termine in condizioni di
siccità severa.
La linea di ricerca sviluppata durante il percorso di dottorato ha avuto l’obiettivo di valutare
l’efficacia degli idrolizzati proteici vegetali (P-PH) nel migliorare la tolleranza alla siccità, favorire
l’assorbimento dei nutrienti e supportare la capacità di recupero in piante di pomodoro sottoposte a
stress idrico e condizioni di suolo alcalino. Per raggiungere tale obiettivo è stato adottato un approccio
combinato che ha integrato fenotipizzazione ad alta capacità e metabolomica. La fenotipizzazione ad
alto rendimento ha utilizzato tecnologie di imaging avanzato per monitorare in modo non distruttivo
e in tempo reale parametri chiave delle piante, fornendo dati sulla crescita e sulle risposte allo stress.
In parallelo, l’analisi metabolomica ha permesso di identificare i metaboliti coinvolti nello stress,
nell’assorbimento dei nutrienti e nell’attività antiossidante, offrendo una comprensione più
approfondita degli effetti fisiologici dei biostimolanti sulle piante. Queste tecnologie hanno fornito
un solido quadro di riferimento per valutare l’impatto dei biostimolanti sulla salute delle piante in
condizioni ambientali difficili.
La ricerca è stata condotta seguendo un approccio graduale, partendo da esperimenti a breve
termine volti a comprendere il meccanismo d’azione dei P-PH. In questa fase iniziale, la
fenotipizzazione ad alto rendimento e la metabolomica sono state impiegate per monitorare la crescita
e lo stato di salute delle piante, analizzando contemporaneamente i cambiamenti nei metaboliti legati
alle risposte allo stress. Questo approccio ha permesso una valutazione completa di come i P-PH
influenzino la fisiologia e la resilienza delle piante, fornendo informazioni preziose sul loro potenziale
come biostimolanti per aumentare la tolleranza alla siccità e l’assorbimento dei nutrienti. I P-PH sono
stati valutati per il loro duplice ruolo: migliorare la tolleranza allo stress da siccità attraverso cicli
ripetuti di stress idrico e ottimizzare l’assorbimento dei nutrienti agendo come peptidi chelanti in
condizioni alcaline. A partire dai risultati iniziali, la seconda fase ha esteso la ricerca a esperimenti a
lungo termine, per esaminare l’impatto sostenuto dei P-PH in condizioni prolungate di siccità e il loro
effetto sulla resa complessiva delle piante. L’obiettivo di questa fase era verificare se i benefici
osservati nel breve termine in termini di tolleranza alla siccità e assorbimento dei nutrienti si
traducessero in miglioramenti concreti della produttività, offrendo una comprensione più ampia del
ruolo dei biostimolanti nel promuovere un’agricoltura sostenibile in condizioni di stress climatico.
Negli esperimenti a breve termine, i P-PH si sono dimostrati efficaci nel migliorare la resistenza
delle piante di pomodoro allo stress da siccità, favorendo un recupero più rapido dopo i cicli di stress
idrico. L’analisi metabolomica ha evidenziato che i P-PH modulano positivamente il metabolismo
primario, aumentando la presenza di dipeptidi, che fungono sia da fonte di carbonio per la
gluconeogenesi durante la carenza d’acqua, sia da molecole segnale. Inoltre, è stato osservato un
aumento di composti coinvolti nella traspirazione, nell’osmoregolazione e nell’attività antiossidante,
contribuendo ulteriormente alla resilienza delle piante. Negli esperimenti che hanno confrontato i
biochelati con i chelati sintetici a diversi dosaggi, né il tipo né la dose di fertilizzante hanno avuto
effetti significativi sui parametri biometrici digitali rilevati tramite imaging 3D. Tuttavia, la
metabolomica ha evidenziato che i biochelati stimolano in modo marcato le vie metaboliche dei
composti fenolici, rafforzando le difese antiossidanti e modulando le risposte allo stress delle piante.
Nell’esperimento a lungo termine, mentre una disponibilità idrica ottimale ha significativamente
migliorato la biomassa e la produzione di frutti, lo stress idrico ha portato a un incremento della
qualità dei frutti, in particolare per quanto riguarda la concentrazione di zuccheri e antiossidanti.
Tuttavia, i trattamenti con P-PH, applicati sia per via fogliare che per fertirrigazione, non hanno avuto
effetti significativi su biomassa, resa o qualità dei frutti in condizioni di siccità prolungata. L’analisi
metabolomica ha mostrato un aumento dei metaboliti associati allo stress nelle piante sottoposte a
siccità, ma non sono state rilevate variazioni metaboliche rilevanti nei frutti a seguito dei trattamenti
con P-PH, suggerendo che l’intensità dello stress abbia superato la soglia oltre la quale i P-PH possano
sostenere efficacemente la crescita e la produttività a lungo termine.
I risultati di questi esperimenti indicano che gli idrolizzati proteici vegetali possono essere efficaci
nel mitigare gli effetti negativi della siccità sulle piante di pomodoro nel breve termine, ma la loro
efficacia si riduce in condizioni di siccità severa, evidenziando la necessità di ulteriori ricerche per ottimizzarne l’utilizzo. Inoltre, i fertilizzanti a base di biochelati si sono dimostrati un’alternativa
sostenibile ai chelati sintetici per il supporto della nutrizione in termini di micronutrienti in condizioni
di alcalinità del suolo, rappresentando una soluzione promettente per migliorare la resilienza delle
piante in ambienti difficili.
Additional information
Dottorato di ricerca in Scienze delle Produzioni Vegetali e Animali
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