IT201900019739A1 - Biostimulant composition and its use in agriculture - Google Patents
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Description
Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo: “Composizione biostimolante e suo impiego in agricoltura” Description of the industrial invention entitled: "Biostimulant composition and its use in agriculture"
DESCRIZIONE DESCRIPTION
La presente invenzione riguarda una composizione biostimolante ottenibile da fonti naturali, efficace nella regolazione dello sviluppo delle piante, in particolare della fase di transizione fiorale, e nell’incrementare l’efficienza d’uso dell’acqua (WUE: Water Use Efficiency). The present invention relates to a biostimulant composition obtainable from natural sources, effective in regulating plant development, in particular in the flowering transition phase, and in increasing the efficiency of water use (WUE: Water Use Efficiency).
Nel campo dell’agricoltura riveste fondamentale importanza promuovere la crescita, la salute e la produttività delle piante. Tradizionalmente, tale finalità è stata conseguita mediante l’impiego di fertilizzanti e pesticidi, e introducendo modifiche fisiche del suolo. Tuttavia, l’uso di prodotti agrochimici comporta conseguenze ambientali a lungo termine quali la deplezione delle risorse, danni ambientali e effetti sulla salute pubblica. Allo scopo di limitare l’uso di strategie pericolose, nel tentativo di migliorare la produttività delle colture promuovendo la crescita delle piante e la loro resistenza agli stress, sono stati compiuti numerosi sforzi mirati a sviluppare e implementare approcci ecologicamente cauti, basati sull’impiego di prodotti biostimolanti. I biostimolanti sono definiti come qualunque sostanza o microrganismo che viene applicato alle piante con lo scopo di migliorarne l’efficienza nutrizionale, la resistenza a stress abiotici e/o tratti di qualità della coltura, indipendentemente dal contenuto in nutrienti. Per estensione, i biostimolanti comprendono quindi anche una grande varietà di prodotti commerciali contenenti miscele di tali sostanze e/o microrganismi (Du Jardin P, 2015. “Plant biostimulants: definition, concept, main categories and regulation”; Sci Hort 196: 3-14). Il ruolo che si vorrebbe attribuire ai biostimolanti nell’agricoltura moderna prevede l’affiancamento se non addirittura in alcuni casi la sostituzione dei prodotti convenzionali di natura sintetica, che ad oggi sono diffusamente utilizzati nella gestione della maggior parte delle coltivazioni. Diversi biostimolanti già presenti sul mercato sono focalizzati alla risoluzione o mitigazione di un solo problema specifico che affligga una o più colture. Altri invece sono descritti come in grado di garantire più effetti benefici alla pianta portando ad un generale miglioramento della resa in termini di quantità e/o qualità. In the field of agriculture, it is of fundamental importance to promote the growth, health and productivity of plants. Traditionally, this purpose has been achieved through the use of fertilizers and pesticides, and by introducing physical changes to the soil. However, the use of agrochemicals has long-term environmental consequences such as resource depletion, environmental damage and effects on public health. In order to limit the use of dangerous strategies, in an attempt to improve crop productivity by promoting plant growth and their resistance to stress, numerous efforts have been made to develop and implement ecologically cautious approaches based on the use of biostimulant products. Biostimulants are defined as any substance or microorganism that is applied to plants with the aim of improving their nutritional efficiency, resistance to abiotic stress and / or quality traits of the crop, regardless of the nutrient content. By extension, biostimulants therefore also include a large variety of commercial products containing mixtures of these substances and / or microorganisms (Du Jardin P, 2015. "Plant biostimulants: definition, concept, main categories and regulation"; Sci Hort 196: 3- 14). The role that we would like to attribute to biostimulants in modern agriculture involves the support or even in some cases the replacement of conventional synthetic products, which today are widely used in the management of most crops. Several biostimulants already on the market are focused on solving or mitigating a single specific problem affecting one or more crops. Others, on the other hand, are described as able to guarantee more beneficial effects to the plant, leading to a general improvement in yield in terms of quantity and / or quality.
I biostimolanti possono essere utili nel prevenire i danni da stress ambientali nelle piante, quali ad esempio temperature estreme, carenza d’acqua, eccesso di sali nel suolo o nell’acqua di irrigazione, carenza di nutrienti. Inoltre, uno tra i più importanti e fondamentali aspetti su cui un prodotto biostimolante può andare ad incidere è la regolazione della riproduzione di una pianta. Questo complesso processo fisiologico può essere distinto in due passaggi di sviluppo fondamentali: l’acquisizione della competenza a fiorire (passaggio dalla fase giovanile dello sviluppo a quella adulta) e la conversione del meristema apicale da vegetativo a fiorale, con la produzione di gemme fiorali anziché foglie. Biostimulants can be useful in preventing damage from environmental stress in plants, such as extreme temperatures, lack of water, excess salts in the soil or irrigation water, nutrient deficiency. Furthermore, one of the most important and fundamental aspects on which a biostimulating product can affect is the regulation of the reproduction of a plant. This complex physiological process can be divided into two fundamental stages of development: the acquisition of the competence to bloom (passage from the juvenile phase of development to the adult one) and the conversion of the apical meristem from vegetative to floral, with the production of flower buds instead of leaves.
Diverse pubblicazioni scientifiche hanno descritto come questi importanti passaggi siano determinati da un complicato meccanismo geneticomolecolare che risponde a segnali endogeni, quali ormoni, zuccheri, altre molecole segnale come piccoli RNA, nonché a stimoli ambientali, come fotoperiodo, temperatura, intensità luminosa e disponibilità di nutrienti (Bäurle I, Dean C, 2006. “The timing of developmental transitions in plants”, Cell 125: 655–664; Poethig RS, 2003. “Phase change and the regulation of developmental timing in plants”, Science 301: 334–336). Ovviamente la gestione della fase riproduttiva può avere ripercussioni cruciali sulla resa di colture il cui prodotto commerciabile è il frutto. Several scientific publications have described how these important steps are determined by a complicated molecular genetic mechanism that responds to endogenous signals, such as hormones, sugars, other signal molecules such as small RNAs, as well as environmental stimuli, such as photoperiod, temperature, light intensity and nutrient availability. (Bäurle I, Dean C, 2006. "The timing of developmental transitions in plants", Cell 125: 655–664; Poethig RS, 2003. "Phase change and the regulation of developmental timing in plants", Science 301: 334–336 ). Obviously, the management of the reproductive phase can have crucial repercussions on the yield of crops whose marketable product is the fruit.
Anche l’attività dei miglioratori genetici può trarne vantaggi, perché questi spesso ricorrono a incroci tra genotipi parentali per ottenere varietà di particolare interesse commerciale, ed hanno quindi interesse a stimolare la produzione di fiori e poi di frutti derivanti dagli incroci. In particolare, l’anticipazione della transizione fiorale è un tratto sempre più perseguito nell’agricoltura moderna. Questa caratteristica infatti può favorire la resa, la qualità e la salute delle piante, a seconda, ovviamente, della specie e delle condizioni in cui la pianta viene allevata. Una pianta che fiorisce prima deve competere nell’ecosistema con meno fiori per ricevere visita da parte degli insetti impollinatori, aumentando pertanto la probabilità di sviluppo dei frutti dagli stessi. Inoltre una fioritura anticipata, a determinate latitudini e per certe specie, garantisce alla pianta di intercettare la maggiore quantità possibile di radiazione solare, ottenendo in tal modo un raccolto ottimale in termini di produzione. Una fioritura precoce permette altresì alle colture di avere più tempo per lo sviluppo e maturazione dei semi. Infine, anche la situazione sanitaria della coltura è rilevante in tal senso, perché l’anticipazione della fioritura può scongiurare per alcune colture l’attacco da parte di specifici patogeni e/o insetti. Un classico esempio riguarda il mais, che alle nostre latitudini è particolarmente soggetto all’attacco di un lepidottero chiamato Ostrinia nubilalis. Le sue larve attaccano i frutticini (cariossidi) sulla spiga, scavando all’interno piccole gallerie nelle quali si viene successivamente a creare un microclima adatto alla colonizzazione da parte di funghi tossigeni, in particolare appartenenti al genere Fusarium. The activity of genetic improvers can also benefit from this, because these often resort to crosses between parental genotypes to obtain varieties of particular commercial interest, and therefore have an interest in stimulating the production of flowers and then of fruits resulting from crosses. In particular, the anticipation of the floral transition is a trait increasingly pursued in modern agriculture. In fact, this characteristic can favor the yield, quality and health of the plants, depending, of course, on the species and the conditions in which the plant is bred. A plant that blooms earlier must compete in the ecosystem with fewer flowers to receive visits from pollinating insects, thus increasing the probability of fruit development from them. Furthermore, early flowering, at certain latitudes and for certain species, guarantees the plant to intercept the greatest possible amount of solar radiation, thus obtaining an optimal harvest in terms of production. Early flowering also allows crops to have more time for seed development and maturation. Finally, the health situation of the crop is also relevant in this sense, because the anticipation of flowering can prevent some crops from being attacked by specific pathogens and / or insects. A classic example concerns corn, which in our latitudes is particularly subject to the attack of a moth called Ostrinia nubilalis. Its larvae attack the small fruits (caryopses) on the ear, digging inside small tunnels in which a microclimate is subsequently created, suitable for colonization by toxigenic fungi, in particular belonging to the genus Fusarium.
Una delle misure utilizzate oggi per prevenire in parte questa situazione consiste nella semina precoce degli ibridi di mais, in modo da anticipare la seconda generazione di O. nubilalis diminuendo le perdite di produzione e la carica di tossine nella granella (Alma A, et al, 2005. “Relationships between Ostrinia nubilalis (Lepidoptera: Crambidae) feeding activity, crop technique and mycotoxin contamination of corn kernel in northwestern Italy”, Int J Pest Manage 51: 165-173; Long N, et al, 2017. “Maize yield and planting date relationship: a synthesis-analysis for US high-yielding contestwinner and field research data”, Front Plant Sci https://doi.org/10.3389/fpls.2017.02106). One of the measures used today to partially prevent this situation consists in the early sowing of corn hybrids, in order to anticipate the second generation of O. nubilalis by decreasing production losses and the load of toxins in the grain (Alma A, et al, 2005. "Relationships between Ostrinia nubilalis (Lepidoptera: Crambidae) feeding activity, crop technique and mycotoxin contamination of corn kernel in northwestern Italy", Int J Pest Manage 51: 165-173; Long N, et al, 2017. "Maize yield and planting date relationship: a synthesis-analysis for US high-yielding contestwinner and field research data ", Front Plant Sci https://doi.org/10.3389/fpls.2017.02106).
Tuttavia, la procedura di semina precoce, esponendo la coltura precocemente nella stagione, si accompagna al rischio di condizioni non ottimali per lo sviluppo della pianta. Pertanto, un anticipo della fioritura indotto su piante seminate nei tempi standard rappresenta un approccio alternativo altamente desiderabile. Analogamente, su piante arboree quali ciliegio, albicocco, pesco e ulivo, l’anticipo e l’uniformità della fioritura si traducono in produzioni più uniformi e rese più alte, nonché nella possibilità di immettere primizie sul mercato frutticolo aumentando così prezzi e ricavi. Ad esempio, l’importanza di fiorire in corrispondenza della massima radiazione solare stagionale disponibile porta l’ulivo a massimizzare la propria produzione. I frutti di ulivo coltivati in condizioni ben illuminate hanno dimensioni maggiori rispetto a quelli coltivati a bassa intensità di luce, una percentuale più alta di olio e un minore contenuto di acqua (Caruso G, et al, 2017. “Irrigation and fruit canopy position modify oil quality of olive trees (cv. Frantoio)”, J Sci Food Agric 97: 3530–3539). Inoltre, gli oli ottenuti da olive coltivate in condizioni ben illuminate mostrano un maggiore contenuto di polifenoli e migliori caratteristiche organolettiche rispetto a quelli estratti da frutti meno illuminati. However, the early sowing procedure, exposing the crop early in the season, is accompanied by the risk of not optimal conditions for the development of the plant. Therefore, an early flowering induced on plants sown at standard times represents a highly desirable alternative approach. Similarly, on arboreal plants such as cherry, apricot, peach and olive, the early and uniform flowering results in more uniform productions and higher yields, as well as in the possibility of placing first fruits on the fruit market, thus increasing prices and revenues. For example, the importance of flowering at the maximum seasonal solar radiation available leads the olive tree to maximize its production. Olive fruits grown in well-lit conditions are larger than those grown with low light intensity, a higher percentage of oil and a lower water content (Caruso G, et al, 2017. "Irrigation and fruit canopy position modify oil quality of olive trees (cv. Frantoio) ”, J Sci Food Agric 97: 3530–3539). Furthermore, oils obtained from olives grown in well-lit conditions show a higher content of polyphenols and better organoleptic characteristics than those extracted from less illuminated fruits.
Un altro obiettivo primario dell’agricoltura moderna è conseguire una maggiore efficienza d’uso dell’acqua (WUE) da parte delle piante. Una WUE più alta significa che a parità di acqua utilizzata, la pianta è in grado di produrre maggiore biomassa; in particolare, la cosiddetta “WUE agronomica” si focalizza sulla produzione di biomassa di interesse commerciale (ad esempio, i frutti nella coltura del pomodoro). Tale obiettivo è molto importante dal punto di vista agronomico e commerciale, soprattutto per le aree a rischio nel quadro del riscaldamento globale e dei cambiamenti climatici quali le regioni semi-aride con clima di tipo Mediterraneo tra cui i paesi del sud Europa, nord Africa e Asia occidentale che si affacciano sul bacino del Mediterraneo stesso, ma anche l’Australia occidentale e parti del Sud Africa e del Cile. Another primary goal of modern agriculture is to achieve greater water use efficiency (WUE) by plants. A higher WUE means that for the same amount of water used, the plant is able to produce more biomass; in particular, the so-called “agronomic WUE” focuses on the production of biomass of commercial interest (for example, the fruits in tomato cultivation). This objective is very important from an agronomic and commercial point of view, especially for areas at risk in the context of global warming and climate change such as semi-arid regions with a Mediterranean climate including the countries of southern Europe, North Africa and Western Asia bordering the Mediterranean basin itself, but also Western Australia and parts of South Africa and Chile.
Come verrà illustrato più in dettaglio nella parte sperimentale che segue, i presenti inventori hanno osservato che il trattamento di colture con una miscela derivata dall’essudato della struttura radicale di piante sottoposte a coltivazione aeroponica in presenza di particolari nutrienti, influenza il passaggio dalla fase vegetativa a quella riproduttiva esercitando un’attività biostimolante sullo sviluppo delle gemme fiorali, ed è in grado sorprendentemente di indurre una fioritura anticipata nelle piante trattate. Gli esperimenti condotti dai presenti inventori hanno inoltre dimostrato che la miscela derivata dall’essudato radicale esercita vantaggiosamente un’azione specifica sulla capacità da parte delle piante trattate di utilizzare con maggiore efficienza l’acqua disponibile, sia in condizioni irrigue che di stress idrico e nutrizionale. As will be illustrated in more detail in the experimental part that follows, the present inventors have observed that the treatment of crops with a mixture derived from the exudate of the root structure of plants subjected to aeroponic cultivation in the presence of particular nutrients, influences the transition from the vegetative phase. to the reproductive one by exerting a biostimulating activity on the development of the flower buds, and is surprisingly able to induce an early flowering in the treated plants. The experiments conducted by the present inventors have also shown that the mixture derived from root exudate advantageously exerts a specific action on the ability of the treated plants to use the available water more efficiently, both in irrigation conditions and in water and nutritional stress. .
Allo scopo di identificare i componenti della miscela derivata dall’essudato radicale che con maggiore probabilità contribuiscono di concerto agli effetti benefici precedentemente descritti, gli inventori hanno sottoposto l’essudato radicale ad analisi chimica mediante impiego di cromatografia liquida ad alta prestazione (High Performance Liquid Chromatography, HPLC) seguita da analisi di massa (HPLC‐MS) e da cromatografia ionica. I risultati dello studio hanno consentito di rivelare la presenza di componenti diversi, tra i quali sono essenziali gli acidi organici ossalico e succinico ed almeno un ormone vegetale del gruppo degli strigolattoni. In order to identify the components of the mixture derived from root exudate that are most likely to contribute in concert to the beneficial effects described above, the inventors have subjected the radical exudate to chemical analysis using High Performance Liquid Chromatography , HPLC) followed by mass analysis (HPLC ‐ MS) and ion chromatography. The results of the study revealed the presence of different components, among which the organic oxalic and succinic acids and at least one plant hormone of the strigolactone group are essential.
Quindi forma oggetto dell’invenzione una composizione biostimolante come definita nell’annessa rivendicazione 1. Therefore, the subject of the invention is a biostimulating composition as defined in the attached claim 1.
Formano altresì oggetto dell’invenzione un procedimento per produrre una composizione biostimolante come sopra definita, una composizione biostimolante ottenibile mediante detto procedimento, l’uso della composizione biostimolante come sopra definita per anticipare la transizione fiorale di una pianta e/o per migliorare l’efficienza d’uso dell’acqua da parte di una pianta, il tutto come definito nelle annesse rivendicazioni, che formano parte integrante della presente descrizione. The invention also relates to a process for producing a biostimulating composition as defined above, a biostimulating composition obtainable by means of said process, the use of the biostimulating composition as defined above to anticipate the flowering transition of a plant and / or to improve efficiency. use of water by a plant, all as defined in the attached claims, which form an integral part of the present description.
Nella composizione della presente invenzione avviene un’azione sinergica tra gli acidi organici ossalico e succinico e l’almeno un ormone del gruppo degli strigolattoni che ha come risultato il conseguimento di una bioattività specifica che consente di regolare in maniera controllata lo sviluppo delle piante trattate e il loro bilancio idrico, influendo così sulla maturazione dei frutti e sulla resa cumulativa nel corso della stagione vegetativa, portandone ad un significativo incremento. Ciò consente pertanto di utilizzare in maniera efficace la composizione biostimolante secondo l’invenzione nelle pratiche agronomiche mirate ad un miglioramento dello sviluppo e della resa di coltura delle piante permettendo al contempo una corretta gestione del suolo e dell’ambiente. In the composition of the present invention a synergistic action takes place between the oxalic and succinic organic acids and the at least one hormone of the strigolactones group which results in the achievement of a specific bioactivity which allows to regulate in a controlled manner the development of the treated plants and their water balance, thus affecting fruit ripening and cumulative yield during the growing season, leading to a significant increase. This therefore allows the biostimulant composition according to the invention to be used effectively in agronomic practices aimed at improving the development and crop yield of plants while allowing correct management of the soil and the environment.
Gli strigolattoni sono una classe di molecole prodotte principalmente ma non esclusivamente dalle radici delle piante, e la cui struttura chimica è caratterizzata da un lattone triciclico (anelli A, B e C) collegato attraverso un ponte enol-etereo ad un butirrolattone (anello D) (Figura 1) (Prandi C, McErlean CSP, 2019, “The Chemistry of Strigolactones. In: Koltai H, Prandi C (eds) Strigolactones - Biology and Applications. Springer, Cham). Per queste molecole era stata individuata inizialmente soltanto una funzione esogena, ovvero di azione nella rizosfera dove gli strigolattoni vengono rilasciati in minime quantità dalle radici. Nella loro funzione esogena, gli strigolattoni rivestono ruoli diversi, che vanno dalla stimolazione di microrganismi benefici come i funghi micorrizici arbuscolari all’induzione alla germinazione di semi di piante parassite (Rochange S, et al, 2019. “The Role of Strigolactones in Plant– Microbe Interactions”; in: Koltai H, Prandi C (eds) Strigolactones - Biology and Applications. Springer, Cham; Vurro M, et al, 2019. “Strigolactones and Parasitic Plants”, in: Koltai H., Prandi C. (eds) Strigolactones - Biology and Applications. Springer, Cham). Strigolactones are a class of molecules produced mainly but not exclusively by plant roots, and whose chemical structure is characterized by a tricyclic lactone (rings A, B and C) connected through an enol-ethereal bridge to a butyrolactone (ring D) (Figure 1) (Prandi C, McErlean CSP, 2019, “The Chemistry of Strigolactones. In: Koltai H, Prandi C (eds) Strigolactones - Biology and Applications. Springer, Cham). For these molecules, only an exogenous function was initially identified, i.e. action in the rhizosphere where strigolactones are released in minimal quantities from the roots. In their exogenous function, strigolactones play different roles, ranging from stimulation of beneficial microorganisms such as arbuscular mycorrhizal fungi to induction to germination of parasitic plant seeds (Rochange S, et al, 2019. "The Role of Strigolactones in Plant– Microbe Interactions "; in: Koltai H, Prandi C (eds) Strigolactones - Biology and Applications. Springer, Cham; Vurro M, et al, 2019." Strigolactones and Parasitic Plants ", in: Koltai H., Prandi C. (eds ) Strigolactones - Biology and Applications. Springer, Cham).
Studi successivi hanno evidenziato anche importanti funzioni endogene degli strigolattoni nelle piante dove vengono prodotti, rivelando la loro natura di ormoni vegetali, o fitormoni. In questa veste gli strigolattoni modulano diversi processi di sviluppo nella pianta, tra cui la morfologia del fusto e, più limitatamente, della radice, la senescenza fogliare, e la risposta a stress ambientali. In particolare, sia la carenza di nutrienti minerali, soprattutto del fosforo, che la carenza idrica provocano un aumento della sintesi degli strigolattoni a livello della radice e del fusto, rispettivamente (Cardinale F, et al, 2018. “Strigolactones: mediators of osmotic stress responses with a potential for agrochemical manipulation of crop resilience”. J Exp Bot 69: 2291-2303; Rameau C, et al, 2019. “Strigolactones as Plant Hormones”, in: Koltai H, Prandi C (eds) Strigolactones - Biology and Applications. Springer, Cham). Subsequent studies have also highlighted important endogenous functions of strigolactones in the plants where they are produced, revealing their nature as plant hormones, or phytohormones. In this capacity, strigolactones modulate various development processes in the plant, including the morphology of the stem and, more limitedly, of the root, leaf senescence, and the response to environmental stress. In particular, both the lack of mineral nutrients, especially phosphorus, and the lack of water cause an increase in the synthesis of strigolactones at the root and stem level, respectively (Cardinale F, et al, 2018. "Strigolactones: mediators of osmotic stress responses with a potential for agrochemical manipulation of crop resilience ". J Exp Bot 69: 2291-2303; Rameau C, et al, 2019." Strigolactones as Plant Hormones ", in: Koltai H, Prandi C (eds) Strigolactones - Biology and Applications. Springer, Cham).
Inoltre, nelle specie della famiglia delle Solanacee saggiate fino ad ora (pomodoro, petunia, patata) e in alcune Leguminose quali Lotus japonicus, la compromissione genetica di sintesi o percezione degli strigolattoni perturba pesantemente il processo riproduttivo, riducendo significativamente la produzione di fiori, semi e frutti (Kohlen W, et al, 2012. “The tomato CAROTENOID CLEAVAGE DIOXYGENASE 8 (SlCCD8) regulates rhizosphere signaling, plant architecture and affects reproductive development through strigolactone biosynthesis”, New Phytol 196: 535-547; Liu J, et al, 2013. “Carotenoid cleavage dioxygenase 7 modulates plant growth, reproduction, senescence, and determinate nodulation in the model legume Lotus japonicus”, J Exp Bot 64: 1967-1981; Pasare SA, et al, (2013) “The role of the potato (Solanum tuberosum) CCD8 gene in stolon and tuber development”, New Phytol 198: 1108-1120). Furthermore, in the species of the Solanaceae family tested up to now (tomato, petunia, potato) and in some legumes such as Lotus japonicus, the genetic impairment of synthesis or perception of strigolactones heavily disturbs the reproductive process, significantly reducing the production of flowers, seeds. and fruits (Kohlen W, et al, 2012. "The tomato CAROTENOID CLEAVAGE DIOXYGENASE 8 (SlCCD8) regulates rhizosphere signaling, plant architecture and affects reproductive development through strigolactone biosynthesis", New Phytol 196: 535-547; Liu J, et al, 2013. "Carotenoid cleavage dioxygenase 7 modulates plant growth, reproduction, senescence, and certain nodulation in the model legume Lotus japonicus", J Exp Bot 64: 1967-1981; Pasare SA, et al, (2013) "The role of the potato (Solanum tuberosum) CCD8 gene in stolon and tuber development ", New Phytol 198: 1108-1120).
Senza voler essere vincolati da alcuna teoria, i presenti inventori ritengono che gli ormoni del gruppo degli strigolattoni siano coinvolti nella transizione riproduttiva e nella capacità da parte della pianta di tollerare stati di carenza idrica riducendo la perdita di acqua dagli stomi, piccole aperture a chiusura regolata che si trovano nell’epidermide delle foglie. A loro volta, queste variazioni di chiusura stomatica sembrano dipendere almeno in parte da un’alterata sensibilità/trasporto del fitormone acido abscissico, che è un potente stimolatore della chiusura stomatica. Without wishing to be bound by any theory, the present inventors believe that the hormones of the strigolactones group are involved in the reproductive transition and in the ability of the plant to tolerate states of water shortage by reducing the loss of water from the stomata, small openings with regulated closure. which are found in the epidermis of the leaves. In turn, these variations in stomatal closure seem to depend at least in part on an altered sensitivity / transport of the abscisic acid phytohormone, which is a powerful stimulator of stomatal closure.
In una forma di realizzazione preferita, l’almeno un ormone vegetale del gruppo degli strigolattoni è presente nella composizione biostimolante della presente invenzione in una concentrazione in peso compresa nell’intervallo dallo 0,0000015% allo 0,0000030% p/v sul volume totale della composizione, più preferibilmente nell’intervallo dallo 0,0000020% allo 0,0000028% p/v sul volume totale della composizione, per esempio in una concentrazione in peso dello 0,0000020%, 0,0000021%, 0,0000022%, 0,0000023%, 0,0000024%, 0,0000025%, 0,0000026%, 0,0000027% e 0,0000028% p/v sul volume totale della composizione. In a preferred embodiment, the at least one plant hormone of the strigolactone group is present in the biostimulant composition of the present invention in a concentration by weight in the range from 0.0000015% to 0.0000030% w / v on the total volume of the composition, more preferably in the range from 0.0000020% to 0.0000028% w / v on the total volume of the composition, for example in a concentration by weight of 0.0000020%, 0.0000021%, 0.0000022%, 0.0000023%, 0.0000024%, 0.0000025%, 0.0000026%, 0.0000027% and 0.0000028% w / v on the total volume of the composition.
Preferibilmente, l’almeno un ormone vegetale del gruppo degli strigolattoni nella composizione biostimolante dell’invenzione è il solanacolo, presente negli essudati radicali delle piante di Solanum lycopersicum (pomodoro). Preferably, the at least one plant hormone of the strigolactone group in the biostimulating composition of the invention is the solanacle, present in the root exudates of Solanum lycopersicum (tomato) plants.
Accanto all’almeno un ormone strigolattone come sopra-descritto, la composizione biostimolante secondo l’invenzione è caratterizzata dal comprendere inoltre gli acidi organici ossalico e succinico. Alongside the at least one strigolactone hormone as described above, the biostimulating composition according to the invention is characterized by also comprising the oxalic and succinic organic acids.
Le cellule vegetali contengono numerosi acidi organici, che variano soprattutto nella lunghezza della catena carboniosa e nel numero di gruppi carbossilici. Queste molecole sono coinvolte nel metabolismo cellulare come intermedi del ciclo degli acidi tricarbossilici, e di conseguenza nella produzione di energia metabolica nel processo della respirazione cellulare. Inoltre gli acidi organici possono essere precursori per la sintesi di altre importanti biomolecole (Tcherkez G. et. al, 2012 “Respiratory carbon fluxes in leaves”, Curr Opin Plant Biol, 15: 308-314). Plant cells contain numerous organic acids, which vary mainly in the length of the carbon chain and in the number of carboxylic groups. These molecules are involved in cellular metabolism as intermediates of the tricarboxylic acid cycle, and consequently in the production of metabolic energy in the process of cellular respiration. Furthermore, organic acids can be precursors for the synthesis of other important biomolecules (Tcherkez G. et. Al, 2012 “Respiratory carbon fluxes in leaves”, Curr Opin Plant Biol, 15: 308-314).
In una forma di realizzazione preferita, l’acido ossalico è presente nella composizione biostimolante della presente invenzione in una concentrazione in peso compresa nell’intervallo dallo 0,0025% allo 0,0040% p/v sul volume totale della composizione, più preferibilmente nell’intervallo dallo 0,0030% allo 0,0038% p/v sul volume totale della composizione, per esempio in una concentrazione in peso dello 0,0030%, 0,0031%, 0,0032%, 0,0033%, 0,0034%, 0,0035%, 0,0036%, 0,0037% e 0,0038% p/v sul volume totale della composizione. In a preferred embodiment, oxalic acid is present in the biostimulating composition of the present invention in a concentration by weight in the range from 0.0025% to 0.0040% w / v on the total volume of the composition, more preferably in the 'range from 0.0030% to 0.0038% w / v on the total volume of the composition, for example in a concentration by weight of 0.0030%, 0.0031%, 0.0032%, 0.0033%, 0 , 0034%, 0.0035%, 0.0036%, 0.0037% and 0.0038% w / v on the total volume of the composition.
In un’altra forma di realizzazione preferita, l’acido succinico è presente nella composizione biostimolante della presente invenzione in una concentrazione in peso compresa nell’intervallo dallo 0,004% allo 0,008% p/v sul volume totale della composizione, più preferibilmente nell’intervallo dallo 0,005% allo 0,007% p/v sul volume totale della composizione, per esempio in una concentrazione in peso dello 0,005%, 0,006% e 0,007% p/v sul volume totale della composizione. In another preferred embodiment, succinic acid is present in the biostimulant composition of the present invention in a concentration by weight in the range from 0.004% to 0.008% w / v on the total volume of the composition, more preferably in the range from 0.005% to 0.007% w / v on the total volume of the composition, for example in a concentration by weight of 0.005%, 0.006% and 0.007% w / v on the total volume of the composition.
Come precedentemente indicato, il suddetto ormone vegetale del gruppo degli strigolattoni, il suddetto acido ossalico e/o il suddetto acido succinico sono contenuti nelle secrezioni di apparati radicali di piante diverse, preferibilmente di una pianta della famiglia delle Solanacee, preferibilmente Solanum lycopersicum. As previously indicated, the aforementioned plant hormone of the strigolactones group, the aforementioned oxalic acid and / or the aforementioned succinic acid are contained in the secretions of root systems of different plants, preferably of a plant of the Solanaceae family, preferably Solanum lycopersicum.
Secondo la presente invenzione, la composizione biostimolante può essere in forma di liofilizzato. According to the present invention, the biostimulating composition can be in the form of a lyophilisate.
In una forma di realizzazione alternativa, la composizione della presente invenzione può essere sotto forma di una composizione liquida a base di acqua comprendente inoltre un solvente eutettico. In an alternative embodiment, the composition of the present invention can be in the form of a water-based liquid composition further comprising a eutectic solvent.
Nell’ambito della presente descrizione, con il termine “solvente eutettico” si intende un solvente idoneo alla produzione di una miscela eutettica, ossia una miscela caratterizzata da una temperatura del punto di fusione che è molto al di sotto delle singole sostanze che la compongono, rimanendo pertanto fluida a temperatura ambiente. In the context of this description, the term "eutectic solvent" means a solvent suitable for the production of a eutectic mixture, that is, a mixture characterized by a melting point temperature that is far below the individual substances that compose it, thus remaining fluid at room temperature.
Preferibilmente, ma non a titolo limitativo, il solvente eutettico presente nella composizione biostimolante dell’invenzione è un solvente eutettico profondo naturale (NADES). Preferably, but not as a limitation, the eutectic solvent present in the biostimulating composition of the invention is a natural deep eutectic solvent (NADES).
Come è noto nella tecnica, i solventi NADES sono caratterizzati da un’elevata capacità solubilizzante di composti sia polari che non polari. Il forte legame a idrogeno tra i NADES ed i soluti non solo determina questo enorme aumento di solubilità, ma contribuisce anche alla stabilità dei metaboliti secondari in varie condizioni quali temperatura elevata, luce e tempo di conservazione. As is known in the art, NADES solvents are characterized by a high solubilizing capacity of both polar and non-polar compounds. The strong hydrogen bond between NADES and solutes not only results in this enormous increase in solubility, but also contributes to the stability of secondary metabolites under various conditions such as high temperature, light and storage time.
In questa modalità realizzativa, quantità predeterminate di biostimolante vengono formulate in miscele eutettiche di solventi (o DES acronimo di Deep Eutectic Solvents), dette miscele eutettiche di solventi avendo a titolo esemplificativo e non limitativo una composizione scelta tra: In this manufacturing mode, predetermined quantities of biostimulant are formulated in eutectic mixtures of solvents (or DES acronym for Deep Eutectic Solvents), said eutectic mixtures of solvents having by way of example and not limiting a composition chosen from:
1. Miscela “LAP”: acido lattico: 1,2-propandiolo, in rapporto molare 2:1; e 1. “LAP” mixture: lactic acid: 1,2-propanediol, in molar ratio 2: 1; And
2. Miscela “PCH”: 1,2-propandiolo: cloruro di colina: acqua, in rapporto molare 1:1:1 o 1:1:3. 2. “PCH” mixture: 1,2-propanediol: choline chloride: water, in molar ratio 1: 1: 1 or 1: 1: 3.
Una prima composizione biostimolante preferita della presente invenzione comprende i componenti 0,0000020% in peso dell’almeno un ormone vegetale del gruppo degli strigolattoni, 0,0030% in peso di acido succinico e 0,005% in peso di acido ossalico in una miscela “LAP” come solvente sul volume totale della composizione. A first preferred biostimulating composition of the present invention comprises the components 0.0000020% by weight of the at least one plant hormone of the strigolactone group, 0.0030% by weight of succinic acid and 0.005% by weight of oxalic acid in a "LAP "As solvent on the total volume of the composition.
Una seconda composizione biostimolante preferita della presente invenzione comprende i componenti 0,0000028% in peso dell’almeno un ormone vegetale del gruppo degli strigolattoni, 0,0035% in peso di acido succinico e 0,006% in peso di acido ossalico in una miscela “PCH” come solvente. A second preferred biostimulating composition of the present invention comprises the components 0.0000028% by weight of the at least one plant hormone of the strigolactone group, 0.0035% by weight of succinic acid and 0.006% by weight of oxalic acid in a "PCH "As a solvent.
Secondo l’invenzione, la composizione biostimolante dell’invenzione può comprendere composti attivi addizionali o additivi. According to the invention, the biostimulating composition of the invention may include additional active compounds or additives.
Per esempio, la composizione biostimolante secondo l’invenzione può comprendere inoltre almeno un composto polifenolico, preferibilmente l’acido gallico. For example, the biostimulating composition according to the invention can also comprise at least one polyphenolic compound, preferably gallic acid.
In un’altra forma di realizzazione, la composizione biostimolante secondo l’invenzione comprende inoltre almeno un acido organico scelto nel gruppo che consiste di acido citrico, acido malico, acido glicolico, acido lattico e acido acetico. In another embodiment, the biostimulating composition according to the invention also comprises at least one organic acid selected from the group consisting of citric acid, malic acid, glycolic acid, lactic acid and acetic acid.
Nell’ambito della presente invenzione rientra anche un procedimento per la preparazione della composizione biostimolante precedentemente descritta, che comprende le fasi di: Within the scope of the present invention there is also a process for the preparation of the biostimulant composition described above, which includes the steps of:
(i) coltivare una o più piante mediante coltivazione aeroponica per almeno 14 giorni, preferibilmente per almeno 21 giorni, impiegando una prima soluzione nutritiva comprendente diidrogeno fosfato di potassio (KH2PO4); (i) cultivating one or more plants by aeroponic cultivation for at least 14 days, preferably for at least 21 days, using a first nutrient solution comprising potassium dihydrogen phosphate (KH2PO4);
(ii) proseguire la coltivazione aeroponica dell’una o più piante per almeno ulteriori 3 giorni, preferibilmente per almeno ulteriori 7 giorni, impiegando una seconda soluzione nutritiva comprendente cloruro di potassio (KCl) e non comprendente KH2PO4, ottenendo così la produzione di un essudato da parte delle radici di dette una o più piante; (ii) continue the aeroponic cultivation of one or more plants for at least a further 3 days, preferably for at least a further 7 days, using a second nutrient solution comprising potassium chloride (KCl) and not comprising KH2PO4, thus obtaining the production of an exudate by the roots of said one or more plants;
(iii) raccogliere l’essudato prodotto dalle radici nella fase (ii); (iii) collect the exudate produced by the roots in phase (ii);
(iv) separare la componente lipidica dell’essudato radicale dalla fase acquosa, e raccogliere detta fase acquosa; (iv) separate the lipid component of the root exudate from the aqueous phase, and collect said aqueous phase;
(v) dissolvere la componente lipidica in un solvente, ottenendo così una prima miscela omogenea, e aggiungere a detta prima miscela omogenea un volume predeterminato della fase acquosa separata nella fase (iv), ottenendo così la composizione biostimolante sotto forma di una seconda miscela omogenea. (v) dissolving the lipid component in a solvent, thus obtaining a first homogeneous mixture, and adding to said first homogeneous mixture a predetermined volume of the aqueous phase separated in step (iv), thus obtaining the biostimulating composition in the form of a second homogeneous mixture .
Nel contesto della presente descrizione il termine “coltivazione aeroponica” si intende riferito ad una coltivazione fuori suolo, ovvero condotta in assenza di terreno, nella quale le radici delle piante rimangono aeree, senza alcun tipo di terreno che le sostenga, andando a migliorare in maniera notevole il loro grado di ossigenazione. Affinché il processo funzioni, è necessario che le radici ricevano costantemente mediante nebulizzazione le corrette dosi di acqua e sostanze nutritive che consentono il corretto sviluppo e la crescita della pianta. In the context of this description, the term "aeroponic cultivation" refers to a soilless cultivation, that is carried out in the absence of soil, in which the roots of the plants remain aerial, without any type of soil to support them, improving in a way their degree of oxygenation is remarkable. For the process to work, it is necessary that the roots constantly receive the correct doses of water and nutrients through nebulization that allow the correct development and growth of the plant.
Secondo la presente invenzione, nelle piante in coltura aeroponica la sostituzione della prima soluzione nutritiva contenente KH2PO4 con la seconda soluzione nutritiva priva di KH2PO4ma contenente KCl si traduce in uno stimolo della sintesi ed essudazione radicale delle molecole di un ormone del gruppo degli strigolattoni. According to the present invention, in plants in aeroponic cultivation, the replacement of the first nutrient solution containing KH2PO4 with the second nutrient solution without KH2PO4 but containing KCl results in a stimulation of the synthesis and radical exudation of the molecules of a hormone of the strigolactone group.
La separazione della componente lipidica dell’essudato radicale è effettuata preferibilmente mediante cromatografia su una colonna atta a trattenere molecole di natura idrofobica, anche se possono essere utilizzate altre tipologie di metodiche di separazione che sono di per sé note al tecnico medio del settore. La selezione della metodica più adeguata ad essere impiegata nell’ambito della presente invenzione rientra ampiamente nelle capacità del tecnico medio del settore. The separation of the lipid component of the radical exudate is preferably carried out by chromatography on a column designed to retain molecules of a hydrophobic nature, although other types of separation methods can be used which are in themselves known to the average technician in the field. The selection of the most appropriate method to be used in the context of the present invention falls largely within the capabilities of the average technician in the sector.
Nella forma di attuazione precedentemente descritta, per il passaggio di eluizione dalla colonna cromatografica può essere impiegata, ad esempio, una soluzione comprendente un solvente apolare, preferibilmente acetone, più preferibilmente una soluzione comprendente acqua e acetone. In the previously described embodiment, for the elution step from the chromatographic column, for example, a solution comprising an apolar solvent, preferably acetone, more preferably a solution comprising water and acetone, can be used.
Preferibilmente, nel procedimento dell’invenzione viene impiegato un volume predeterminato della fase acquosa compreso nell’intervallo da 1/2 a 1/10, per esempio 1/2, 1/3, 1/4, 1/5, 1/6, 1/7, 1/8, 1/9 e 1/10, del volume totale di detta fase acquosa separata dalla componente lipidica dell’essudato radicale. Preferably, a predetermined volume of the aqueous phase in the range from 1/2 to 1/10 is used in the process of the invention, for example 1/2, 1/3, 1/4, 1/5, 1/6, 1/7, 1/8, 1/9 and 1/10, of the total volume of said aqueous phase separated from the lipid component of the root exudate.
Più preferibilmente, nel procedimento secondo l’invenzione la prima miscela contenente la componente lipidica dell’essudato radicale è aggiunta alla fase acquosa separata in un rapporto volumetrico di circa 5 a 1. More preferably, in the process according to the invention, the first mixture containing the lipid component of the radical exudate is added to the separated aqueous phase in a volume ratio of about 5 to 1.
Al fine di incrementarne la stabilità e la durata dei tempi di conservazione, la composizione biostimolante dell’invenzione può essere sottoposta a disidratazione ed essiccamento. Pertanto il procedimento secondo l’invenzione può comprendere opzionalmente la fase aggiuntiva di sottoporre ad un processo di liofilizzazione la composizione biostimolante ottenuta sotto forma di una miscela omogenea. Le tecniche di liofilizzazione sono consolidate e l’esperto del settore è in grado di applicarle, senza dover ricorrere ad alcuna attività inventiva. In order to increase the stability and duration of storage times, the biostimulating composition of the invention can be subjected to dehydration and drying. Therefore, the process according to the invention can optionally include the additional step of subjecting the biostimulating composition obtained in the form of a homogeneous mixture to a freeze-drying process. The freeze-drying techniques are consolidated and the expert in the sector is able to apply them, without having to resort to any inventive step.
Preferibilmente, nel procedimento secondo l’invenzione l’una o più piante sottoposte a coltivazione aeroponica appartengono alla famiglia delle Solanacee, preferibilmente Solanum lycopersicum. Preferably, in the process according to the invention, one or more plants subjected to aeroponic cultivation belong to the Solanaceae family, preferably Solanum lycopersicum.
Un altro aspetto della presente invenzione è una composizione biostimolante ottenibile mediante il procedimento come sopra definito, detta composizione comprendendo acido ossalico, acido succinico ed almeno un ormone vegetale del gruppo degli strigolattoni. Another aspect of the present invention is a biostimulating composition obtainable by means of the process as defined above, said composition comprising oxalic acid, succinic acid and at least one plant hormone of the strigolactone group.
Come descritto in precedenza, la composizione biostimolante secondo l’invenzione è particolarmente idonea ad essere impiegata nella regolazione dello sviluppo delle piante trattate e del loro bilancio idrico, promuovendo processi fisiologici quali la crescita, l’assorbimento di acqua e nutrienti dal suolo, lo sviluppo e quindi la produttività. As previously described, the biostimulating composition according to the invention is particularly suitable for use in regulating the development of treated plants and their water balance, promoting physiological processes such as growth, absorption of water and nutrients from the soil, development and therefore productivity.
Pertanto, un ulteriore aspetto della presente invenzione è l’uso della composizione biostimolante secondo l’invenzione per anticipare la transizione fiorale di una pianta e/o per migliorare l’efficienza d’uso dell’acqua da parte di una pianta. Therefore, a further aspect of the present invention is the use of the biostimulant composition according to the invention to anticipate the floral transition of a plant and / or to improve the efficiency of water use by a plant.
Gli esempi che seguono sono forniti a scopo illustrativo e non limitativo della portata dell’invenzione come definita nelle annesse rivendicazioni. The following examples are provided for illustrative and non-limiting purposes of the scope of the invention as defined in the attached claims.
ESEMPIO 1: Caratterizzazione chimica della composizione biostimolante EXAMPLE 1: Chemical characterization of the biostimulating composition
La presenza dell’almeno un ormone strigolattone nella composizione biostimolante dell’invenzione, in particolare il solanacolo, è stata determinata mediante esecuzione su un campione estratto in una soluzione acetonitrile/H2O 50:50 di cromatografia liquida ad alta prestazione (“High Performance Liquid Chromatography”, HPLC) seguita da analisi di massa (HPLC‐MS). Per l’analisi è stato utilizzato un QTRAP3200 sviluppato da Sciex interfacciato attraverso una sorgente ESI TurboIonSpray ad un UHPL Shimadzu Nexera. L’eluizione è stata eseguita con una soluzione di acido formico 0,1% in acqua e di acido formico 0,1% in metanolo, utilizzando un flusso di 0,4 ml min-1 ed un gradiente di 15 minuti da 50/50 a 0/100. Il volume di campione iniettato è stato di 20 μl. La colonna cromatografica impiegata era una Kinetex C18 (Phenomenex) 2,6 μm, 100 × 4,6 mm, 100 Å mantenuta ad una temperatura costante di 40°C. I parametri per l’analisi in spettrometria di massa sono stati ottimizzati attraverso una infusione diretta del campione nello spettrometro per massimizzare il segnale MRM (multiple reaction monitoring): ion spray 5000 V, temperatura 500°C, declustering potential 100 V, entrance potential 10 V). Transizione Qualificatrice: 343>201 (CE 12 eV, CXP 23 V); Transizione Quantificatrice: 343>183 (CE 10 eV, CXP 23 V). La quantificazione è stata eseguita utilizzando una retta di calibrazione a 5 punti (1-10-25-50-100 ppb). Limit of detection, LOD 1 ppb. The presence of the at least one strigolactone hormone in the biostimulating composition of the invention, in particular the solanacle, was determined by carrying out a sample extracted in a 50:50 acetonitrile / H2O solution of high performance liquid chromatography ("High Performance Liquid Chromatography ”, HPLC) followed by mass analysis (HPLC ‐ MS). For the analysis a QTRAP3200 developed by Sciex was used interfaced through an ESI TurboIonSpray source to a UHPL Shimadzu Nexera. The elution was performed with a solution of 0.1% formic acid in water and 0.1% formic acid in methanol, using a flow of 0.4 ml min-1 and a gradient of 15 minutes from 50/50. at 0/100. The injected sample volume was 20 μl. The chromatographic column used was a Kinetex C18 (Phenomenex) 2.6 μm, 100 × 4.6 mm, 100 Å maintained at a constant temperature of 40 ° C. The parameters for the mass spectrometry analysis have been optimized through a direct infusion of the sample into the spectrometer to maximize the MRM signal (multiple reaction monitoring): ion spray 5000 V, temperature 500 ° C, declustering potential 100 V, entrance potential 10 V). Qualifying Transition: 343> 201 (CE 12 eV, CXP 23 V); Quantifying Transition: 343> 183 (CE 10 eV, CXP 23 V). Quantification was performed using a 5-point calibration line (1-10-25-50-100 ppb). Limit of detection, LOD 1 ppb.
La determinazione della presenza degli acidi organici succinico e ossalico nella composizione biostimolante dell’invenzione e la successiva loro quantificazione è stata eseguita mediante una procedura di cromatografia ionica. In breve, la fase acquosa rimanente al passaggio su colonna C18 è stata fatta passare attraverso colonne a scambio anionico (tipo Dionex IonPac AS4A-SC 250×4 mm) e successivamente eluita con soluzioni acquose di NaHCO3 e Na2CO3 (7,5 mM, pH 10,2, Flow Rate: 1,7 ml/min). I tempi di ritenzione ottimali erano di 5,12 min e 6,29 min rispettivamente per acido succinico e acido ossalico. The determination of the presence of succinic and oxalic organic acids in the biostimulant composition of the invention and their subsequent quantification was performed using an ion chromatography procedure. Briefly, the aqueous phase remaining at the passage on the C18 column was passed through anion exchange columns (type Dionex IonPac AS4A-SC 250 × 4 mm) and subsequently eluted with aqueous solutions of NaHCO3 and Na2CO3 (7.5 mM, pH 10.2, Flow Rate: 1.7ml / min). Optimal retention times were 5.12 min and 6.29 min for succinic acid and oxalic acid, respectively.
In conclusione, le procedure analitiche come sopra descritte a cui è stata sottoposta la composizione biostimolante hanno evidenziato la presenza dei seguenti componenti: In conclusion, the analytical procedures as described above to which the biostimulant composition was subjected highlighted the presence of the following components:
- solanacolo (ormone vegetale appartenente alla famiglia degli strigolattoni), presente ad una concentrazione in peso compresa nell’intervallo dallo 0,0000015% a 0,0000030% p/v sul volume totale della composizione, ovvero ad una concentrazione da 70 pM a 80 pM; - solanacle (plant hormone belonging to the strigolactone family), present at a concentration by weight in the range from 0.0000015% to 0.0000030% w / v on the total volume of the composition, or at a concentration from 70 pM to 80 pM;
- acido ossalico, presente ad una concentrazione in peso compresa nell’intervallo dallo 0,0025% allo 0,0040% p/v sul volume totale della composizione, (31 mg/l in media), ovvero ad una concentrazione da 0,25 mM a 0,3 mM; - oxalic acid, present at a concentration by weight in the range from 0.0025% to 0.0040% w / v on the total volume of the composition, (31 mg / l on average), or at a concentration of 0.25 mM to 0.3 mM;
- acido succinico, presente ad una concentrazione in peso compresa nell’intervallo dallo 0,004% allo 0,008% p/v sul volume totale della composizione, (50 mg/l in media), ovvero ad una concentrazione da 0,35 mM a 0,4 mM. - succinic acid, present at a concentration by weight in the range from 0.004% to 0.008% w / v on the total volume of the composition, (50 mg / l on average), or at a concentration from 0.35 mM to 0, 4 mM.
ESEMPIO 2: Produzione della composizione biostimolante EXAMPLE 2: Production of the biostimulant composition
Al fine di produrre la composizione biostimolante secondo l’invenzione, i presenti inventori hanno allestito il procedimento descritto di seguito. Le piante, più specificamente piante di pomodoro (Solanum lycopersicum) sono state coltivate per circa 4 settimane in sistemi aeroponici, nei quali possono venire estratte sostanze bioattive essudate dalle radici delle stesse. Per il procedimento possono essere utilizzate piante appartenenti a qualsivoglia varietà ma l’uso di piante geneticamente insensibili agli strigolattoni ne aumenta la produzione. In order to produce the biostimulant composition according to the invention, the present inventors have set up the procedure described below. The plants, more specifically tomato plants (Solanum lycopersicum), were grown for about 4 weeks in aeroponic systems, in which bioactive substances exuded by their roots can be extracted. Plants belonging to any variety can be used for the process, but the use of plants genetically insensitive to strigolactones increases their production.
Come illustrato nella Figura 2, le piante in coltura aeroponica sono state continuamente idratate alla radice tramite nebulizzazione di una soluzione nutritiva circolante ottimizzata al fine di massimizzare la produzione e il rilascio di sostanze biostimolanti da parte delle stesse. La composizione della soluzione nutritiva che è stata impiegata negli esperimenti condotti dagli inventori è la seguente: As shown in Figure 2, the plants in aeroponics were continuously hydrated at the root by nebulizing an optimized circulating nutrient solution in order to maximize their production and release of biostimulating substances. The composition of the nutrient solution that was used in the experiments conducted by the inventors is as follows:
Ogni 3 settimane la soluzione nutritiva contenente KH2PO4 è stata sostituita con una soluzione contenente i medesimi componenti, salvo per il KH2PO4 che è stato sostituito con KCl. Successivamente, tale soluzione è stata sostituita ogni 3 giorni. Dopo raccolta dell’essudato prodotto dagli apparati radicali delle piante in coltura grazie alla raccolta dei liquidi depositati nella vasca di crescita, quest’ultimo è stato sottoposto ad un processo di filtrazione tramite setacci con pori di 2 �m di diametro allo scopo di eliminare contaminanti grossolani. Il filtrato così ottenuto è stato sottoposto a un passaggio cromatografico su colonne C18 (GracePure SPE C18-Fast 5000 mg/20 m) in grado di trattenerne la componente idrofobica. Le colonne sono state successivamente eluite tramite una soluzione costituita da acqua e acetone nel rapporto di 1:1. Successivamente un volume pari ad un quinto della soluzione acquosa contenente i componenti idrofili non legatasi alla colonna cromatografica è stata recuperata e unita alla componente idrofobica eluita dalla stessa. Il rapporto volumetrico tra le soluzioni che fornivano la componente idrofobica di essudati radicali (soluzione di eluizione della colonna C18) e quella idrofila era di 1 a 60. Infine la composizione è stato liofilizzata e conservata a -20°C. Every 3 weeks the nutrient solution containing KH2PO4 was replaced with a solution containing the same components, except for KH2PO4 which was replaced with KCl. Subsequently, this solution was replaced every 3 days. After collecting the exudate produced by the root systems of plants in culture thanks to the collection of the liquids deposited in the growth tank, the latter was subjected to a filtration process using sieves with pores of 2 �m in diameter in order to eliminate contaminants coarse. The filtrate thus obtained was subjected to a chromatographic step on C18 columns (GracePure SPE C18-Fast 5000 mg / 20 m) capable of retaining the hydrophobic component. The columns were subsequently eluted through a solution consisting of water and acetone in the ratio of 1: 1. Subsequently, a volume equal to one fifth of the aqueous solution containing the hydrophilic components not bound to the chromatographic column was recovered and joined to the hydrophobic component eluted therefrom. The volumetric ratio between the solutions that provided the hydrophobic component of radical exudates (elution solution of the C18 column) and the hydrophilic one was 1 to 60. Finally, the composition was lyophilized and stored at -20 ° C.
ESEMPIO 3: Caratterizzazione dell’attività biologica della composizione biostimolante – Anticipo della fioritura EXAMPLE 3: Characterization of the biological activity of the biostimulating composition - Early flowering
Allo scopo di caratterizzare l’attività biologica della composizione dell’invenzione, i presenti inventori hanno esaminato lotti diversi della composizione per la loro capacità di indurre la germinazione dei semi della pianta Phelipanche aegyptica. In particolare, il grafico a barre della Figura 3 mostra l’attività di 5 diluizioni seriali della composizione biostimolante (1:1, 8 nM; 1:10, 800 pM; 1:10<2>, 80 pM; 1:10<3>, 8 pM; 1:10<4>, 0,8 pM) a confronto con due differenti concentrazioni (10 µM e 1 µM) di un analogo sintetico degli strigolattoni, GR24 racemico (StrigoLab Srl). In order to characterize the biological activity of the composition of the invention, the present inventors have examined different batches of the composition for their ability to induce the germination of the seeds of the Phelipanche aegyptica plant. In particular, the bar graph of Figure 3 shows the activity of 5 serial dilutions of the biostimulant composition (1: 1, 8 nM; 1:10, 800 pM; 1:10 <2>, 80 pM; 1:10 < 3>, 8 pM; 1:10 <4>, 0.8 pM) in comparison with two different concentrations (10 µM and 1 µM) of a synthetic analogue of strigolactones, racemic GR24 (StrigoLab Srl).
Al fine di studiare gli effetti fisiologici e agronomici della composizione biostimolante sullo sviluppo delle piante, gli inventori hanno progettato una serie di esperimenti in cui piante di pomodoro sono state trattate con detta composizione attraverso nebulizzazione sulle foglie. Gli esperimenti condotti in serra con piante in vaso da 10 litri, hanno riguardato sia aspetti dello sviluppo, in particolare il passaggio dalla fase vegetativa alla fase riproduttiva, sia la valutazione della risposta delle piante trattate a situazioni di stress idrico e nutrizionale. Per le prime prove, i trattamenti sono stati effettuati durante la fase vegetativa (piante con 4-5 foglie, circa 6 settimane dalla semina), nella fase di germogliamento (piante con 6-7 foglie, circa 9 settimane dalla semina) e sui fiori recentemente aperti (piante con 7-8 foglie, circa 11 settimane dalla semina). Sono state impiegate 5 piante per ciascun tipo di trattamento. La transizione fiorale e lo sviluppo dei fiori sono stati valutati ogni due-tre giorni contando le gemme fiorali e assegnando a ciascuna di esse un coefficiente specifico come esemplificato nella Figura 4. Ogni pianta aveva dunque un punteggio totale dato dalla somma dei coefficienti assegnati a ciascuna delle loro gemme e fiori nelle infiorescenze. In order to study the physiological and agronomic effects of the biostimulating composition on plant development, the inventors designed a series of experiments in which tomato plants were treated with said composition by spraying the leaves. The experiments conducted in the greenhouse with 10-liter potted plants concerned both aspects of development, in particular the transition from the vegetative phase to the reproductive phase, and the evaluation of the response of the treated plants to situations of water and nutritional stress. For the first tests, the treatments were carried out during the vegetative phase (plants with 4-5 leaves, about 6 weeks from sowing), in the budding phase (plants with 6-7 leaves, about 9 weeks from sowing) and on the flowers. recently opened (plants with 7-8 leaves, about 11 weeks from sowing). Five plants were used for each type of treatment. The flower transition and the development of the flowers were evaluated every two-three days by counting the flower buds and assigning to each of them a specific coefficient as exemplified in Figure 4. Each plant therefore had a total score given by the sum of the coefficients assigned to each. of their buds and flowers in the inflorescences.
I presenti inventori hanno condotto studi comparativi misurando l’efficacia della composizione biostimolante dell’invenzione rispetto a quella del solo strigolattone, impiegando la molecola sintetica GR24 come sopra indicata. Più specificamente, per i loro studi gli inventori hanno utilizzato una composizione biostimolante comprendente l’ormone strigolattone solanacolo alla concentrazione di 0,0000020% p/v (corrispondente ad una concentrazione 80 pM circa), l’acido succinico alla concentrazione di 0,003% p/v e l’acido ossalico alla concentrazione di 0,005% p/v, sul volume totale della composizione. La molecola sintetica di strigolattone è stata invece impiegata come soluzione ad una concentrazione 5 µM e ad una concentrazione 0,1 µM. Il grafico della Figura 5A mostra gli effetti della composizione biostimolante e dello strigolattone sintetico GR24 sulla transizione dalla fase vegetativa a quella riproduttiva espressi attraverso il punteggio arbitrario sulle diverse fasi fenologiche del fiore/frutto normalizzato sul valore medio ottenuto dalle piante controllo alla data dello stesso rilievo fenologico. I risultati ottenuti dimostrano che le piante trattate con la composizione biostimolante dell’invenzione hanno effettivamente anticipato la fioritura. In particolare, dopo 4-5 giorni dal primo trattamento, le piante trattate con la composizione biostimolante hanno mostrato un punteggio maggiore rispetto alle piante controllo non trattate ma simile al punteggio delle piante trattate con GR24 5 µM. Le piante trattate con GR240,1 µM hanno mostrato invece indici di sviluppo fiorale paragonabili a quelli dei controlli non trattati. Questa differenza tra piante trattate con il biostimolante dell’invenzione o con pGR24 5 µM rispetto a piante non trattate è stata mantenuta fino a 3-4 settimane circa dopo il primo trattamento, quando il rapporto tra i punteggi di sviluppo dei fiori delle piante trattate e i controlli non trattati è stato riportato a circa 1, a causa dell’inizio della fioritura delle piante controllo. Nello stesso periodo i valori delle piante trattate con GR24 0,1 µM si sono mostrati di poco superiori a quelli delle piante non trattate, e significativamente minori rispetto a quelli delle piante trattate con la composizione biostimolante o GR24 5 µM. Ciò suggerisce che il trattamento con la composizione biostimolante dell’invenzione è di maggiore efficacia in una specifica fase di sviluppo, ossia sulle piante adulte (riproduttivamente competenti), ma i cui meristemi apicali non stanno ancora producendo gemme fiorali. The present inventors have conducted comparative studies by measuring the effectiveness of the biostimulant composition of the invention compared to that of strigolactone alone, using the synthetic molecule GR24 as indicated above. More specifically, for their studies, the inventors used a biostimulating composition comprising the strigolactone solanacle hormone at a concentration of 0.0000020% w / v (corresponding to a concentration of about 80 pM), succinic acid at a concentration of 0.003% w / v and oxalic acid at a concentration of 0.005% w / v, on the total volume of the composition. The synthetic molecule of strigolactone was instead used as a solution at a concentration of 5 µM and at a concentration of 0.1 µM. The graph of Figure 5A shows the effects of the biostimulating composition and of the synthetic strigolactone GR24 on the transition from the vegetative to the reproductive phase expressed through the arbitrary score on the different phenological phases of the flower / fruit normalized on the average value obtained by the control plants at the date of the same survey. phenological. The results obtained show that the plants treated with the biostimulating composition of the invention actually anticipated flowering. In particular, after 4-5 days from the first treatment, the plants treated with the biostimulating composition showed a higher score than the untreated control plants but similar to the score of the plants treated with GR24 5 µM. The plants treated with GR240.1 µM instead showed flower development indices comparable to those of the untreated controls. This difference between plants treated with the biostimulant of the invention or with pGR24 5 µM compared to untreated plants was maintained up to about 3-4 weeks after the first treatment, when the relationship between the flower development scores of the treated plants and the untreated controls was reported to around 1, due to the onset of flowering of the control plants. In the same period the values of plants treated with GR24 0.1 µM were slightly higher than those of untreated plants, and significantly lower than those of plants treated with the biostimulating composition or GR24 5 µM. This suggests that the treatment with the biostimulating composition of the invention is more effective in a specific phase of development, that is, on adult plants (reproductively competent), but whose apical meristems are not yet producing flower buds.
L’ormone puro nella forma dell’analogo di sintesi GR24 si è dimostrato efficace a concentrazioni uguali o superiori a 5 µM, poiché a 0,1 µM l’effetto è quasi nullo; la composizione biostimolante dell’invenzione invece ha mostrato un effetto significativo in una formulazione alla quale lo strigolattone solanacolo è presente in concentrazione 80 pM. Questo mette in evidenza come la composizione biostimolante presenti proprietà emergenti legate alla sinergia dei suoi diversi componenti. The pure hormone in the form of the synthetic analogue GR24 proved effective at concentrations equal to or greater than 5 µM, since at 0.1 µM the effect is almost nil; the biostimulating composition of the invention instead showed a significant effect in a formulation in which strigolactone solanacle is present in a concentration of 80 pM. This highlights how the biostimulant composition has emerging properties linked to the synergy of its various components.
Nell’ambito della presente descrizione, con il termine “proprietà emergente” si intende una proprietà che è posseduta da un sistema complesso ma non dai singoli componenti di detto sistema. Il mancato riconoscimento di una proprietà come emergente, può condurre erroneamente ad attribuire questa proprietà a uno o più dei componenti del sistema (cosiddetto "fallacy of division"). In the context of this description, the term "emergent property" means a property that is owned by a complex system but not by the individual components of that system. Failure to recognize a property as emergent can lead erroneously to attribute this property to one or more of the components of the system (so-called "fallacy of division").
Questa bioattività specifica della composizione biostimolante sullo sviluppo delle gemme fiorali ha anche implicazioni sullo sviluppo e maturazione dei frutti, e porta le piante trattate ad aumentare la resa cumulativa dei frutti nel corso della stagione vegetativa, in particolare all’inizio. Il grafico della Figura 5B riporta la resa cumulativa per pianta espressa in peso fresco dei frutti dopo trattamento con la molecola sintetica GR24 o con la composizione biostimolante, e dimostra un effetto marcatamente superiore per quest’ultima. This specific bioactivity of the biostimulating composition on the development of flower buds also has implications for fruit development and ripening, and leads the treated plants to increase the cumulative yield of fruits during the growing season, especially at the beginning. The graph in Figure 5B shows the cumulative yield per plant expressed in fresh weight of the fruit after treatment with the synthetic molecule GR24 or with the biostimulating composition, and demonstrates a markedly higher effect for the latter.
Pertanto, come mostrato dalle Figure 3 e 5A-B, gli studi comparativi condotti dai presenti inventori ed illustrati precedentemente hanno rivelato sorprendentemente che la composizione biostimolante in cui il solanacolo è presente a una concentrazione molto bassa (circa 80 pM) è dotata di una bioattività significativamente superiore, pari a circa 4-5 ordini di grandezza, in confronto a quella della molecola di strigolattone GR24 soltanto (utilizzata alla concentrazione 5 µM, e non più attiva alla concentrazione di 0,1 µM), dimostrando un effetto sinergico, e non semplicemente additivo, dei diversi componenti. Therefore, as shown by Figures 3 and 5A-B, the comparative studies conducted by the present inventors and illustrated previously have surprisingly revealed that the biostimulating composition in which the solanacle is present at a very low concentration (about 80 pM) is endowed with a bioactivity significantly higher, equal to about 4-5 orders of magnitude, compared to that of the strigolactone molecule GR24 only (used at the 5 µM concentration, and no longer active at the 0.1 µM concentration), demonstrating a synergistic effect, and not simply additive, of the different components.
ESEMPIO 4: Caratterizzazione dell’attività biologica della composizione biostimolante – Efficienza d’uso dell’acqua EXAMPLE 4: Characterization of the biological activity of the biostimulant composition - Efficiency of water use
I presenti inventori hanno anche condotto prove sperimentali per valutare l’effetto della composizione biostimolante dell’invenzione sulla efficienza d’uso dell’acqua (Water Use Efficiency: WUE) di piante di pomodoro in condizioni di stress idrico, di carenza di fosforo e di una combinazione di entrambi gli stress. Il parametro WUE, molto utilizzato a livello agronomico, indica la capacità della pianta di utilizzare l’acqua disponibile e si calcola tipicamente come rapporto tra la biomassa secca della pianta e il volume di acqua fornito alla stessa durante la coltura. Verosimilmente tanto più questo rapporto è alto tanto meglio la pianta ha utilizzato l’acqua disponibile per il proprio sviluppo e la propria crescita. The present inventors have also conducted experimental tests to evaluate the effect of the biostimulant composition of the invention on the water use efficiency (WUE) of tomato plants in conditions of water stress, phosphorus deficiency and a combination of both stresses. The WUE parameter, widely used at the agronomic level, indicates the plant's ability to use the available water and is typically calculated as the ratio between the dry biomass of the plant and the volume of water supplied to it during cultivation. Probably the higher this ratio is, the better the plant has used the available water for its own development and growth.
Per questi studi, sono state impiegate una composizione biostimolante ed una soluzione di strigolattone sintetico GR24 (5 µM) come descritte nell’Esempio 3 di sopra. Dato che nelle prove sulla fioritura descritte precedentemente i trattamenti tardivi delle piante non avevano mostrato effetti chiari, la prima nebulizzazione è stata anticipata (piante con 1-2 foglie, 3 settimane dalla semina), per poi proseguire durante la fase vegetativa (piante con 4-5 foglie, circa 6 settimane dalla semina), per finire nella fase di germogliamento (piante con 6-7 foglie, circa 9 settimane dalla semina). For these studies, a biostimulating composition and a solution of synthetic strigolactone GR24 (5 µM) were used as described in Example 3 above. Since in the flowering tests described above the late treatments of the plants had not shown clear effects, the first nebulization was anticipated (plants with 1-2 leaves, 3 weeks after sowing), and then continued during the vegetative phase (plants with 4 -5 leaves, about 6 weeks from sowing), to finish in the budding phase (plants with 6-7 leaves, about 9 weeks from sowing).
La Figura 6A mostra gli effetti della composizione biostimolante e del GR24 sulla efficienza d’uso dell’acqua (WUE) della pianta intera in condizioni irrigate, di stress idrico, nutrizionale o combinato e dimostra che la WUE delle piante tende ad aumentare sotto stress. Lo stesso parametro risulta chiaramente più alto per le piante trattate con la composizione biostimolante in condizioni non stressate, apparentemente a causa di una maggiore allocazione delle risorse agli apparati radicali (Figura 6B). I dati riportati in quest’ultima figura indicano inoltre una superiore efficacia di regolazione del bilancio idrico da parte della composizione biostimolante (concentrazione solanacolo pari a 80 pM) rispetto allo strigolattone sintetico GR24 (concentrazione d’uso pari a 5 µM). Figure 6A shows the effects of the biostimulant composition and GR24 on the water use efficiency (WUE) of the whole plant in irrigated, water stressed, nutritional or combined conditions and shows that the WUE of plants tends to increase under stress. The same parameter is clearly higher for plants treated with the biostimulant composition in non-stressed conditions, apparently due to a greater allocation of resources to the root systems (Figure 6B). The data reported in the latter figure also indicate a higher efficacy in regulating the water balance by the biostimulant composition (solanacle concentration equal to 80 pM) compared to the synthetic strigolactone GR24 (use concentration equal to 5 µM).
Le piante sottoposte a condizioni di stress idrico e nutritivo trattate con la composizione biostimolante hanno mantenuto una tendenza all'aumento della WUE radicale (Figura 7A), e alla produttività, ovvero all’allocazione di risorse nei frutti (Figura 7B), rispetto ai controlli e alle piante trattate soltanto con lo strigolattone sintetico GR24. Plants subjected to water and nutritional stress conditions treated with the biostimulant composition maintained a tendency to increase root WUE (Figure 7A), and to productivity, i.e. the allocation of resources in fruits (Figure 7B), compared to controls. and to plants treated only with synthetic strigolactone GR24.
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