Mitigation of abiotic stresses in Solanum lycopersicum L.: insights into the effect of commercial Ascophyllum nodosum-based biostimulants

Global climate change and increasing agricultural pressures are intensifying the need for sustainable strategies capable of enhancing crop resilience while maintaining productivity and improving nutrient use efficiency. Among emerging solutions, seaweed-based biostimulants derived from Ascophyllum nodosum (AN) have gained considerable attention for their ability to support plant performance under abiotic stress conditions. However, despite their growing adoption in modern agriculture, the mechanisms underlying their mode of action and their effectiveness across different stress scenarios remain only partially understood. This PhD thesis aimed to elucidate the physiological and metabolic mechanisms through which AN application modulates tomato (Solanum lycopersicum L.) responses to major abiotic stresses. To achieve this goal, a multidisciplinary approach was adopted, integrating morphological, physiological and photosynthetic assessments with stress-related biochemical analyses, untargeted metabolomic profiling and transcriptomic analysis. Across three experimental trials, the effects of AN application, delivered through drench or foliar treatments, were evaluated under nitrogen limitation, heat stress and drought stress conditions. Under reduced nitrogen fertilization, AN showed potential synergistic interaction with the nitrification inhibitor 3,4-DMPP, contributing to improved nitrogen use efficiency and reduced nitrate losses, while metabolomic analyses indicated metabolic adjustments associated with enhanced nitrogen assimilation. Under heat stress, AN application mitigated the detrimental effects of high temperatures, supporting plant performance and modulating metabolites involved in osmotic regulation, antioxidant defence and membrane stability. Under drought conditions, integrated physiological, metabolomic and transcriptomic analyses revealed tissue-specific biochemical and molecular responses associated with AN treatment, including the regulation of stress-responsive genes and the accumulation of compatible solutes. Overall, this work provides a comprehensive characterization of AN-mediated stress responses in tomato and contributes to clarifying the mechanisms underlying the biostimulant activity of Ascophyllum nodosum extracts. These findings support their application as sustainable tools to enhance crop resilience and resource use efficiency in climate-adaptive agricultural systems.

Il cambiamento climatico globale e la crescente pressione sulle produzioni agricole stanno intensificando la necessità di strategie sostenibili in grado di migliorare la resilienza delle colture, mantenendo al contempo la produttività e aumentando l’efficienza d’uso dei nutrienti. Tra le soluzioni emergenti, i biostimolanti di origine algale derivati da Ascophyllum nodosum (AN) hanno attirato crescente attenzione per la loro capacità di sostenere le prestazioni delle piante in condizioni di stress abiotico. Tuttavia, nonostante il loro crescente impiego nell’agricoltura moderna, i meccanismi alla base del loro modo di azione e la loro efficacia in diversi scenari di stress rimangono solo parzialmente chiariti. Questa tesi di dottorato ha come obiettivo chiarire i meccanismi fisiologici e metabolici attraverso i quali l’applicazione di AN modula le risposte del pomodoro (Solanum lycopersicum L.) ai principali stress abiotici. A tal fine è stato adottato un approccio multidisciplinare che ha integrato valutazioni morfologiche, fisiologiche e fotosintetiche con analisi biochimiche legate allo stress, metabolomica untargeted e analisi trascrittomiche. Attraverso tre prove sperimentali, gli effetti dell’applicazione di AN, somministrato tramite trattamenti fogliari o per via radicale, sono stati valutati in condizioni di limitazione azotata, stress termico e stress idrico. In condizioni di ridotta fertilizzazione azotata, AN ha mostrato una potenziale interazione sinergica con l’inibitore della nitrificazione 3,4-DMPP, contribuendo al miglioramento dell’efficienza d’uso dell’azoto e alla riduzione delle perdite di nitrati, mentre le analisi metabolomiche hanno evidenziato aggiustamenti metabolici associati a una migliore assimilazione dell’azoto. In condizioni di stress termico, l’applicazione di AN ha mitigato gli effetti negativi delle alte temperature, sostenendo le prestazioni della pianta e modulando metaboliti coinvolti nella regolazione osmotica, nella difesa antiossidante e nella stabilità delle membrane. In condizioni di stress idrico, analisi integrate fisiologiche, metabolomiche e trascrittomiche hanno evidenziato risposte biochimiche e molecolari tessuto-specifiche associate al trattamento con AN, tra cui la regolazione di geni responsivi allo stress e l’accumulo di soluti compatibili. Nel complesso, questo lavoro fornisce una caratterizzazione approfondita delle risposte allo stress mediate da AN nel pomodoro e contribuisce a chiarire i meccanismi alla base dell’attività biostimolante degli estratti di Ascophyllum nodosum. I risultati ottenuti supportano il loro utilizzo come strumenti sostenibili per migliorare la resilienza delle colture e l’efficienza d’uso delle risorse in sistemi agricoli adattati al cambiamento climatico.