Strategia di gestione integrata delle malattie per migliorare la produzione di microgreen nei sistemi organici rigenerativi

Arash Ghalehgolabbehbahani, Ph.D.¹, Jean Bertrand Contina, Ph.D.², Madhav Dhakal, Ph.D.¹, Andrew Smith, Ph.D.¹ & Dinesh Panday, Ph.D.^{3, *}

¹Rodale Institute, Kutztown, Pennsylvania, 19530
²Rodale Institute Centro organico del Midwest, Marion, IA, 52302
³Rodale Institute- Pocono Organic Center, Blakeslee, Pennsylvania, 18610
^*Autore corrispondente: di***********@ro*************.org

Arash Ghalehgolabbehbahani e Dinesh Panday hanno contribuito in egual misura a questo lavoro.

Astratto

È stato condotto uno studio in serra per valutare l'effetto del biofungicida RootShield⁺ e luce ultravioletta C (UV-C) sulla resa e sui parametri di crescita fisiologica dei broccoli (Brassica oleracea var. italica) microgreens. I trattamenti sono stati organizzati utilizzando un disegno a blocchi completo randomizzato con quattro repliche. Il principale agente patogeno trasmesso dal suolo è stato rilevato testando piante infette appartenenti al phylum degli zigomiceti. Mentre i funghi antipatogeni testati hanno avuto un effetto significativo sulla resa dei microgreens, l’applicazione UV-C non ha influenzato l’agente patogeno. Trichoderma trattati con terra hanno ottenuto la resa maggiore. L’UV-C può essere parte integrante della gestione dei parassiti nella produzione biologica di microgreen, richiedendo una ricerca fisiologica dettagliata.

parole chiave: Broccoli; microverde; sistema organico rigenerativo; agente patogeno trasmesso dal suolo; UV-C

Introduzione

I microgreens sono germogli vegetali immaturi raccolti da 7 a 21 giorni dopo la germinazione, una volta che le foglie cotiledoni si sono sviluppate con una serie di foglie vere (Galieni et al., 2020; Zhang et al., 2021). Queste verdure giovani sono note per la loro consistenza e il sapore concentrato, che le rendono aggiunte popolari a insalate, panini e altri piatti (Turner et al., 2020). I microgreens possono essere considerati sostituti migliori dei germogli grazie al loro ricco contenuto nutrizionale e al sapore e al gusto più intensi. Inoltre, i microgreens sono ricchi di vitamine (ad esempio, vitamina C), minerali (ad esempio, Cu e Zn) e sostanze fitochimiche, inclusi carotenoidi e composti fenolici, che agiscono come antiossidanti nel corpo umano (Yadav et al., 2019; Zhang et al., 2021). Butkutė et al. (2018) hanno osservato un contenuto di Zn fino a 3.2 volte superiore nei microgreens rispetto ai semi crudi e germogliati di piccoli legumi. I microgreens hanno mostrato un contenuto totale di clorofilla compreso tra 12.35 e 112.62 mg 100 g^-1, più ricco dei germogli (de la Fuente et al., 2019). La clorofilla e i carotenoidi sono i principali pigmenti fotosintetici di colorazione che influenzano la scelta dei microgreens da parte dei clienti e il valore economico (Žnidarčič et al., 2011).

Molti coltivatori di microgreen faticano a controllare e ottimizzare i fattori climatici associati alla temperatura e all'umidità. Livelli di umidità superiori al 75% sono collegati alla proliferazione di batteri e funghi sui tessuti verdi che portano alla perdita di rendimento (Hamilton et al., 2023). Altre sfide agronomiche affrontate dai coltivatori includono bassi tassi di germinazione associati a scarsa qualità dei semi, qualità e quantità di luce sfavorevoli e mancanza di umidità sufficiente per la germinazione e la crescita delle piante (Hernandez-Adasme et al., 2023; Senevirathne et al., 2019). . I coltivatori di microgreen devono affrontare ulteriori sfide legate alla sicurezza alimentare, alla regolamentazione e alla certificazione del microgreen. Circa il 13% delle epidemie di origine alimentare negli Stati Uniti erano legate ai prodotti freschi (Carstens et al., 2019). È ampiamente noto che i prodotti freschi derivati ​​​​dai microgreens sono esposti a varie fonti di contaminazione provenienti dal suolo e dall’acqua di irrigazione (Alegbeleye et al., 2018). I microgreens sono esposti ad agenti patogeni fogliari e del suolo che interferiscono con la loro crescita e sviluppo. La patogenesi è caratterizzata da un'evidente interazione ospite-patogeno che porta alla proliferazione di unità microbiche infettive in tutta la radice dell'ospite o nei tessuti fogliari, interferendo con le loro funzioni. L'intensità e la proliferazione della malattia dipendono dal livello di suscettibilità delle piante, dall'infettività e dalla virulenza degli agenti patogeni e dalla capacità favorevole dell'ambiente (Agrios, 2005). Pertanto, una combinazione di bassa resistenza nella pianta, un agente patogeno virulento e un ambiente umido potrebbe innescare una massiccia infestazione patogena che porterebbe alla completa perdita del raccolto. Le verdure e i microgreens sono sensibili al marciume radicale che può portare allo smorzamento delle piantine causato da Pythium spp. Fusarium spp., o Rhizoctonia spp. (Martins et al., 2022; McGehee et al., 2018; Riaz et al., 2021).

Diverse strategie nella cassetta degli attrezzi degli agricoltori possono essere utilizzate per prevenire, mitigare o controllare le malattie. Una delle strategie per controllare le malattie delle piante consiste nell’utilizzare approcci biologici che prendono di mira direttamente gli agenti patogeni. Gli approcci biologici al controllo delle malattie comprendono un arsenale di prodotti di origine vegetale, metaboliti microbici e agenti microbici. Il genere Trichoderma, un fungo filamentoso cosmopolita presente nel suolo, è ampiamente conosciuto e studiato per le sue capacità antagoniste intrinseche nel controllare i patogeni delle piante ed è stato ampiamente utilizzato come agente di biocontrollo (Contina et al., 2017; Harman et al., 2004; Druzhinina et al., 2011). Trichoderma spp. ha utilizzato meccanismi su più fronti per controllare i patogeni presenti nel suolo e include (Harman et al., 2004): (1) parassitismo diretto dei patogeni; (2) produzione di enzimi idrolitici; (3) competizione per lo spazio e le risorse; (4) colonizzazione delle radici; (5) promozione della crescita delle piante; e (6) induzione di resistenza sistemica nell'ospite. Varie specie di Trichoderma hanno dimostrato di controllare in modo significativo i nematodi (Contina et al., 2017; Sahebani e Hadavi, 2008), Fusarium spp. (Erazo et al., 2021), fitoftora spp. Pythium spp. (McGehee et al., 2018), Rhizoctonia spp. e insetti (Poveda, 2021).

La luce ultravioletta viene utilizzata anche per disinfettare i contaminanti microbici inibendone la crescita. Tra i diversi tipi di radiazioni UV, l’UV-C (200-280 nm) dimostra l’effetto germicida più potente. L’esposizione alla luce UV porta anche a una germinazione ritardata delle spore e a una maggiore resistenza ai patogeni vegetali facilitando l’accumulo di sostanze antimicrobiche, come i terpenoidi (Cornell Chronicle, 2019). Una scoperta rivoluzionaria che ha evidenziato l’efficacia dell’applicazione della luce UV durante la notte per l’eradicazione dei funghi ha ispirato i ricercatori a utilizzare questo metodo per gestire varie malattie fungine nelle colture orticole (Suthaparan et al., 2012).

In risposta alle limitate informazioni e tecniche disponibili per il controllo delle malattie nella produzione rigenerativa di microgreen organici, è stato condotto uno studio per sviluppare un approccio integrato che combina l’applicazione di funghi antipatogeni come controllo biologico e l’utilizzo della luce ultravioletta come metodo di gestione fisica delle malattie. Broccoli (Brassica oleracea) è stato scelto come caso di studio a causa della sua elevata suscettibilità alle malattie microbiche trasmesse dal suolo. Le osservazioni di questo studio serviranno come base per la progettazione di un progetto di ricerca completo per mitigare l’impatto di varie malattie microbiche nei sistemi di produzione di microverdi basati sul suolo. In questo studio, abbiamo valutato gli effetti indiretti dei funghi antipatogeni e dell’irradiazione UV-C sull’infestazione microbica attraverso la misurazione della resa e di altri parametri di crescita fisiologica (come la lunghezza dello stelo e la lunghezza della radice) dei microgreens. In futuro si studierà l'impatto dei trattamenti sugli agenti patogeni presenti nel suolo.

Materiali e Metodi

Condizioni della serra 

Questa ricerca è stata condotta in una serra a Blakeslee, Pennsylvania (zona di rusticità USDA 5b (da -26.1°C a -23.3°C)). La temperatura all'interno della serra è stata mantenuta a 24.4°C e il livello di umidità al 45% per tutto il periodo di studio. Le piante sono state mantenute sotto un fotoperiodo di luce 12 ore:12 ore: buio e annaffiate utilizzando il metodo di riempimento del vassoio inferiore fino a tre volte al giorno in base alle esigenze. Per valutare l'influenza della luce ultravioletta (UV) e di una combinazione di due isolati di funghi antipatogeni sulla resa di microgreens prodotti dai semi di broccoli è stata utilizzata una disposizione fattoriale (2×2) basata su un disegno a blocchi completo randomizzato. La sperimentazione è stata replicata tre volte da dicembre 2022 a marzo 2023. I campioni sono stati inoltre raccolti e inviati a un laboratorio presso la Plant Disease Clinic, Penn State University, University Park, Pennsylvania, per identificare la fonte dell'infestazione delle piante. I risultati degli esami anatomopatologici su piante danneggiate prelevate dalle unità di controllo hanno evidenziato la presenza di un agente patogeno appartenente allo zigomicete (Rhizopus or Mucor) filo.

Materiale vegetale 

I semi di broccoli sono stati acquistati da Johnny's Seeds, Fairfield, ME (82% di capacità di germinazione). Poiché i semi e i microgreens dei broccoli sono particolarmente vulnerabili alle infestazioni microbiche rispetto a molte altre colture, questa ricerca si concentra sul loro utilizzo come caso di studio. Per coltivare i microgreens di broccoli, i vassoi delle piantine sono stati riempiti con 3.4 kg di terriccio organico e 18 grammi di semi di broccoli sono stati distribuiti uniformemente sulla superficie del terreno. Dopo la semina, i semi venivano immediatamente irrigati e i vassoi venivano poi spostati in una camera buia per facilitare la germinazione. Dopo un periodo di germinazione di 72 ore, le piante germinate sono state trasferite dalla camera oscura ai banchi della serra per una durata di crescita da 7 a 10 giorni. La valutazione della resa è stata condotta utilizzando metodi di campionamento distruttivi.

Inoculazione

RootShield Plus (RS+), un fungicida elencato dall'OMRI approvato per la produzione biologica, è stato incorporato nel terreno per fornire una fonte di due isolati di Trichoderma (Trichoderma harzianum ceppo T-22 e Trichoderma virens ceppo G-41). 5.8 grammi di RS+ sono stati mescolati con 3.4 kg di terriccio prima della semina per ciascun vassoio trattato con Trichoderma.

Esposizione alla luce ultravioletta

In ciascuna replica, tre vassoi di broccoli piantati sono stati sottoposti a esposizione UV-C (200-280 nm) a 150 JM^-2 (a 3 pollici dalla fonte di luce) per una durata di cinque secondi utilizzando il kit HVAC germicida serie ECO (American Ultraviolet, Libano, IN). La durata dell’esposizione ai raggi UV-C è stata selezionata in base alla fonte di luce e alla distanza di esposizione per ottenere una riduzione microbica senza compromettere la composizione e la qualità degli alimenti.

Valutazione della crescita delle piante

Dopo un periodo di 10-12 giorni dalla semina, i microgreens sono stati raccolti manualmente e la resa dei prodotti freschi è stata attentamente misurata e confrontata tra i vari trattamenti. Un giorno prima della raccolta, la copertura frazionaria della chioma verde (%FGCC) è stata misurata come indice di crescita delle foglie verdi. Per valutare la percentuale di FGCC, le foto del fogliame sono state scattate utilizzando la fotocamera di uno smartphone e analizzate dall'applicazione Canopeo. I pixel verdi sono stati contati con il programma per valutare il rapporto tra foglie verdi e terreno nudo, convertito in una percentuale di copertura della chioma. L'effetto diretto dei trattamenti è stato valutato confrontando la resa e la percentuale di FGCC nei vassoi trattati con le unità di controllo non trattate.

analisi statistiche

L'analisi dei dati è stata eseguita con il software statistico R. È stato utilizzato un modello trasformato lineare per valutare l’effetto di RootShield e dell’esposizione alla luce UV sulla crescita e lo sviluppo dei broccoli. È stata inoltre condotta un'analisi della varianza a due vie (ANOVA) per studiare l'interazione tra diversi gruppi di trattamenti α <0.05. Inoltre, è stato sviluppato un modello di correlazione per studiare la relazione tra la copertura della chioma (%FGCC) e la resa raccolta. Questo modello di correlazione ha facilitato la comprensione di come le variazioni nella copertura della chioma hanno influenzato la resa finale dei microgreens di broccoli, fornendo preziose informazioni per le future pratiche agricole. È stata inoltre eseguita l'ANOVA unidirezionale seguita dal test di Tukey per confrontare le medie dei parametri misurati tra i trattamenti.

Risultati e discussione

Sebbene i funghi antipatogeni testati abbiano influenzato in modo significativo la resa dei microverdi, l’esposizione alla luce UV-C non ha causato un cambiamento significativo in questo parametro misurato (Tabella 1). Unità sperimentali trattate esclusivamente con Trichoderma ha mostrato una resa più elevata, con una media di 25.8 grammi di produzione fresca di microgreen (Fig. 1). Questa quantità è stata seguita da 21.5 grammi di produzione di microgreen in vassoi trattati con una combinazione di Trichoderma e luce UV-C. La differenza osservata nella resa può essere attribuita alla relazione antagonista tra l'applicazione della luce UV-C e i funghi antipatogeni. Smaetz-Baron et al. (1997) hanno riportato una significativa restrizione nel tasso di germinazione di Trichoderma quando esposto alla luce UV-C. Tuttavia, l’effetto dell’applicazione UV-C è risultato non significativo; i vassoi trattati con UV-C hanno prodotto una resa solo leggermente superiore rispetto alle unità di controllo non trattate.

L'analisi della varianza ha rivelato un'interazione non significativa tra i trattamenti testati per tutti i parametri misurati (Tabella 1). È stato osservato anche un notevole impatto dei funghi antipatogeni sulla lunghezza dello stelo e sulla percentuale di FGCC. I vassoi trattati con UV-C e Trichoderma presentava gli steli più lunghi, con una lunghezza media di 59.6 mm. Al contrario, le unità di controllo avevano i microgreens di broccoli più corti, con una lunghezza media dello stelo di 50.86 mm (Tabella 2).

D'altra parte, la lunghezza della radice non ha mostrato differenze significative tra i trattamenti, variando tra 22.41 e 24.96 mm. Nonostante l'effetto non significativo di Trichoderma sulla lunghezza dei microgreens, abbiamo osservato un apparato radicale ausiliario ben sviluppato e robusto in vassoi trattati con funghi antipatogeni (Fig. 2). Alla fine dell'esperimento, è stata misurata la lunghezza totale della radice del microgreen, dove la lunghezza della radice è stata aumentata di quattro volte nei semi di microgreen trattati con Trichoderma (media = 4 cm) rispetto a nessun Trichoderma (media = 1 cm). L'applicazione di funghi antipatogeni ha portato anche a una media di FGCC più elevata del 26% rispetto alle unità non trattate (Tabella 2). L'aumento della percentuale di FGCC indicava un numero maggiore di cellule di clorofilla sviluppate, che ha portato a un tasso di crescita più rapido, una copertura della chioma ampliata e una resa più elevata. Questa relazione è stata supportata da una significativa correlazione positiva tra la% FGCC registrata e la resa raccolta (Fig. 3).

Broccoli inoculati con Trichoderma raggiunto una crescita e uno sviluppo più elevati rispetto a quelli con terreno non modificato. Il nostro esperimento lo ha dimostrato Trichoderma gli inoculanti hanno agito come biostimolante per migliorare la crescita delle piante e come agente di biocontrollo per proteggere la pianta dagli agenti patogeni. Studi simili lo hanno dimostrato Trichoderma spp. può colonizzare l'epidermide delle radici e aumentare la capacità della pianta di aumentare l'assorbimento dei nutrienti e aumentare significativamente la sua crescita (Harman, 2006). La promozione della crescita delle piante è stata correlata alla capacità di Trichoderma spp. per secernere e rilasciare siderofori che vengono utilizzati per chelare altri metalli come manganese, nichel e zinco e renderli disponibili per l'assorbimento da parte delle piante (Saha et al., 2013). Altri studi hanno scoperto che alcuni Trichoderma le specie hanno la capacità di solubilizzare i fosfati, composti simili agli ormoni, che possono migliorare l'assorbimento dei nutrienti delle piante (Lopez-Bucio et al., 2015; Rudresh et al., 2005).

Sebbene questo studio non abbia valutato direttamente il processo di biocontrollo, la mancanza di sviluppo di malattie nel suolo è stata modificata Trichoderma indica che i funghi di biocontrollo hanno fornito uno strato protettivo al tribunale infettivo. Studi precedenti hanno chiarito il processo di controllo della malattia Trichoderma e ha coinvolto la produzione di composti bioattivi, enzimi che degradano la parete cellulare e metaboliti secondari (Contreras-Cornejo et al., 2016; Harman, 2006). Altri studi lo hanno scoperto Trichoderma possono parassitare direttamente i patogeni attraverso la colonizzazione delle ife, la competizione per le risorse e l'induzione di resistenza sistemica nella pianta ospite (Contina et al., 2017; Harman et al., 2004; Van Loon, 2007).

I servizi agroecologici forniti da Trichoderma spp. sono spesso limitati dai fattori ambientali del suolo – elementi abiotici – e dall’influenza della rete trofica del suolo – elementi biotici. Gli studi lo hanno scoperto Trichoderma la proliferazione nel mezzo dipendeva principalmente dalla temperatura del suolo e dalle condizioni di umidità (Eastburn e Butler, 1987; Widden e Abitbol, ​​1980). Si è scoperto che diversi fattori biotici sono strettamente correlati a T. harzianum distribuzione nel suolo, inclusa un'associazione positiva con popolazioni batteriche (Hadar et al., 1984). In uno studio recente, T. virens e T. asperellum sono stati esposti alla luce ultravioletta e hanno subito modifiche nella loro struttura genetica, e i mutanti ottenuti potrebbero controllare con successo i patogeni vegetali in misura maggiore rispetto ai tipi selvatici (Alfiky, 2019). Tuttavia, nel nostro studio, l'esposizione di T. virens e T. harzianum non hanno migliorato le loro attività di biocontrollo o capacità biostimolanti rispetto al trattamento non esposto. Queste ambiguità potrebbero essere spiegate dal fatto che sono solo specifiche Trichoderma i ceppi, se esposti ai raggi UV, possono aumentare le loro attività biostimolanti e di biocontrollo.

La ricerca futura dovrebbe concentrarsi sulla spiegazione degli eventi di mutagenesi che potrebbero verificarsi quando i microgreens, T. virense T. harzianum sono esposti alla luce UV e per determinare l'impatto sulla crescita e lo sviluppo delle piante, nonché la capacità di Trichoderma spp. proliferare nel suolo e agire come biostimolanti e agenti di biocontrollo. La mappatura della struttura genetica in cui potrebbero verificarsi le mutazioni aiuterebbe a identificare geni specifici associati al miglioramento delle proprietà benefiche di Trichoderma spp. e potenzialmente aggiungerebbe la mutagenesi agli strumenti per controllare le malattie delle piante e aumentare la crescita delle piante. Intendiamo continuare con la nostra linea di studio ed espanderla per esplorare interazioni specifiche tra la pianta ospite, i patogeni, gli agenti di biocontrollo e l'ambiente.

Ringraziamenti: Gli autori ringraziano Jennifer Salazar e l'intero team di Pocono Organics a Blakeslee, Pennsylvania, per il loro prezioso supporto durante lo studio. Inoltre, gli autori desiderano estendere il loro apprezzamento a John Siepel di American Ultraviolet in Libano, IN, per aver generosamente fornito lampade UV e assistenza tecnica.

finanziamento: Questo progetto è stato finanziato da Pocono Organics e parzialmente sostenuto dall'Istituto nazionale per l'alimentazione e l'agricoltura, Dipartimento dell'agricoltura degli Stati Uniti, attraverso il programma di ricerca e istruzione sull'agricoltura sostenibile del nord-est con il numero di sotto-premio [ONE22-413].

Conflitto d'interesse: Gli autori dichiarano che non vi è alcun conflitto di interessi.