Biostimulant effects of cystoseira barbata extracts on soil-grown crops

Abstract

Artan küresel gıda talebi, iklimle ilgili zorluklar ve kaynakların tükenmesiyle birlikte, sürdürülebilir tarım stratejilerinin geliştirilmesini zorunlu kılmaktadır. Deniz yosunlarından elde edilen biyostimülantlar, bitki büyümesini, stres toleransını ve ürün kalitesini artırmak için umut verici bir yaklaşım sunmaktadır. Bu çalışma, Cystoseira barbata (C. barbata) türüne ait farklı özütlerin kendine özgü biyokimyasal bileşimleri nedeniyle, toprak koşullarında yetiştirilen çeşitli bitkiler üzerinde bitki türüne ve uygulama yöntemine özgü biyostimülant etkiler göstereceği hipotezine dayanmaktadır. Cystoseira barbata'nın biyostimülant potansiyelini değerlendirmek amacıyla elde edilen su, alkali ve asit yosun özütleri, sera koşullarında yetiştirilen tahıl (buğday) ve bahçe bitkilerine (domates, brokoli ve biber) uygulanmıştır. Uygulamalar, bitkiye özgü hedeflere dayanarak toprak uygulaması (drench) veya yaprak uygulaması (foliar) şeklinde gerçekleştirilmiştir. Her bir ürüne özgü hedeflere bağlı olarak, uygulamalar topraktan veya yaprak püskürtme olarak gerçekleştirilmiştir. Buğdayda, toprak uygulamaları ile biyostimülant etkileri ve kuraklık koşullarında fizyolojik ve büyüme tepkilerini hedeflerken, yaprak uygulamaları ile biyostimülantların büyüme, verim ve mineral elementlerdeki farklılıklar üzerindeki etkilerine odaklanmıştır. Domates, brokoli ve biberde farklı özüt tiplerinin meyve verimi ve kalitesi üzerindeki etkileri değerlendirilmiştir. Biber denemesinde ayrıca ticari bir deniz yosunu bazlı biyostimülant olan Acadian ile bir karşılaştırması yapılmış, böylece C. barbata kaynaklı formülasyonların etkileri referans bir ürün ile karşılaştırılmıştır. Buğday bitkisinde, su ve asit özütlerinin toprak uygulaması, antioksidant aktiviteyi, osmolit birikimini ve rizosferdeki mikrobiyal aktiviteyi arttırarak kuraklık koşullarında büyümeyi artırmıştır. Domates ve brokolide, asit ve alkali özütlerinin toprak uygulamaları verim ve kalite özelliklerini belirgin şekilde iyileştirmiş; toplam antioksidant aktivitesi, C vitamini konsantrasyonu ve glutatyon düzeylerinde artış sağlamıştır. Buğday ve domateste yaprak uygulamaları, toprak uygulamalarıyla karşılaştırıldığında verim üzerinde daha az belirgin etkiler gösterdiği ve mineral konsantrasyonlarında anlamlı değişiklik yaratmadığı gözlemlenmiştir. Bununla birlikte, toprak uygulamaları ile kükürt ve potasyum düzeylerinin arttığı tespit edilmiştir; bu durumun besin elementi alımının iyileşmesine bağlı olduğu düşünülmektedir. Su ve asit özütleri hem kontrol grubuna göre biber verimini artırmış hem de ticari biyostimülant olan Acadian ile benzer performans göstermiştir. Ayrıca bu bulgular, C. barbata bazlı formülasyonların ticari ürünlere benzer etkili ve yerel olarak temin edilebilir alternatifler olma potansiyelinin altını çizmektedir. Bu tez, Marmara Denizi'nde bulunan bir deniz yosun türünün biyostimülant potansiyelinin deneysel olarak gösterildiği ilk çalışmalardan biri olma özelliği taşımaktadır. Cystoseira barbata kullanılarak biyobazlı ürünlerin geliştirilmesi, sürdürülebilir tarıma katkı sağlamanın yanı sıra denizlerde bulunan biyokütlenin ekonomik değeri yüksek ürünlere dönüştürülmesini sağlayarak döngüsel biyoekonomiyi teşvik etmektedir. Bununla birlikte, C. barbata'nın sürdürülebilir şekilde üretiminin standartlaştırılması ve biyostimülant etkilerinin tarla koşullarında doğrulanması için daha fazla araştırmaya ihtiyaç duyulmaktadır.The escalating global demand for food, coupled with climate-related challenges and resource depletion, necessitates the development of sustainable agricultural strategies. Seaweed-derived biostimulants offer a promising approach to enhance crop growth, stress resilience, and product quality. This study is based on the hypothesis that different Cystoseira barbata (C. barbata) extracts, owing to their unique biochemical composition, would exhibit species- and application method-specific biostimulant effects on soil-grown crop plants. To evaluate the biostimulant potential of C. barbata, water, alkali and acid extracts were applied to cereal crops (wheat) and horticultural crops (tomato, broccoli and pepper) in a controlled greenhouse environment. Depending on the objectives specific to each crop, applications were carried out via either soil drench or foliar spray. In wheat, soil drench treatments targeted biostimulant effects and drought-related physiological and growth responses, while foliar applications focused on the effects of biostimulants on growth, yield and differences in mineral elements. For tomatoes, broccoli and peppers, the effects of different extract types on fruit yield and quality were assessed. The pepper trial also involved a direct comparison with a commercial seaweed-based biostimulant (Acadian), enabling C. barbata-derived formulations to be evaluated against a benchmark. In wheat, drench applications of water and acid extracts enhanced growth under drought conditions by stimulating antioxidant activity, osmolyte accumulation, and rhizosphere microbial activity. In tomato and broccoli, drench treatments with acid and alkali extracts significantly improved yield and quality traits, including antioxidant activity, vitamin C, and glutathione levels. Compared to drench treatments, foliar applications have less pronounced effects on wheat and tomato yield and did not significantly alter mineral concentrations. In addition, mineral analysis following drench applications revealed increased sulfur and potassium levels, likely due to improved nutrient uptake. In pepper, water and acid extracts not only increased yield relative to the control but also performed comparably to the commercial biostimulant Acadian. Moreover, these findings underscore the potential of C. barbata based formulations as effective and locally available alternatives to commercial products. Importantly, this thesis provides one of the first experimental demonstrations of the biostimulant potential of a seaweed species found in Marmara Sea. Developing bio-based products by using C. barbata provides a sustainable agricultural solution and promotes circular bioeconomy by converting marine biomass into valuable products. Further research is required to standardize production of C. barbata in a sustainable way and confirm the effectiveness of biostimulants under field conditions.