Αξιολόγηση τοπικών ποικιλιών τομάτας και πιπεριάς ως προς την ανοχή τους στην αλατότητα σε συνθήκες υδροπονικής καλλιέργειας και των δυνατοτήτων μετριασμού της αλατούχου καταπόνησης στην τομάτα μέσω εφαρμογής βιοδιεγερτών

Abstract

Η αλατότητα είναι ένας σημαντικός παράγοντας καταπόνησης που θέτει σε κίνδυνο την παραγωγή κηπευτικών σε ημίξηρα κλίματα όπως αυτό της Μεσογείου. Η συσσώρευση αλάτων στο έδαφος μπορεί να αποδοθεί στην περιορισμένη διαθεσιμότητα νερού, η οποία μπορεί να επιδεινωθεί από τις αλλαγές στα επίπεδα βροχοπτώσεων και την αύξηση της θερμοκρασίας. Αυτοί οι παράγοντες μπορούν να μεταβάλουν τα επίπεδα υγρασίας του εδάφους και τους ρυθμούς εξάτμισης, οδηγώντας τελικά σε αύξηση της αλατότητας του εδάφους. Ταυτόχρονα, ο βαθμός στον οποίο η απόδοση των καλλιεργειών επηρεάζεται από την καταπόνηση λόγω αλατότητας εξαρτάται από την ποικιλία. Σε αντίθεση με τα υβρίδια τομάτας, οι παραδοσιακές ποικιλίες συχνά παρουσιάζουν μεγαλύτερη γενετική ποικιλομορφία και ανθεκτικότητα στις περιβαλλοντικές καταπονήσεις, αποτελώντας πολύτιμους πόρους για τα προγράμματα βελτίωσης της ανοχής στις αβιοτικές καταπονήσεις. Ως εκ τούτου, διερευνήθηκαν οι επιδράσεις της αλατότητας στην ανάπτυξη, την παραγωγή και τη θρεπτική κατάσταση 16 μεσογειακών ποικιλιών τομάτας όλων των τύπων μεγέθους καρπού που είχαν προεπιλεχθεεί ως ανθεκτικές στην αλατότητα σε προηγούμενες έρευνες. Για να προκληθεί η αλατούχος καταπόνηση, τα φυτά αναπτύχθηκαν υδροπονικά και αρδεύτηκαν με θρεπτικό διάλυμα που περιείχε NaCl σε συγκέντρωση που μπορούσε να διατηρήσει το επίπεδο NaCl στη ριζόσφαιρα στα 30 mM, ενώ τα φυτά-μάρτυρες αρδεύτηκαν με θρεπτικό διάλυμα που περιείχε 0,5 mM NaCl. Διάφορες παράμετροι ανάπτυξης των φυτών, συμπεριλαμβανομένου του ποσοστού ξηρής ουσίας και της απόδοσης καρπών (μετρούμενη με τον αριθμό και το βάρος των καρπών ανά φυτό), αξιολογήθηκαν για να εκτιμηθεί η επίδραση της αυξημένης αλατότητας στην ανάπτυξη και παραγωγικότητα των διαφόρων ποικιλιών τομάτας. Επιπλέον, αξιολογήθηκε η θρεπτική κατάσταση των φυτών με τον προσδιορισμό των συγκεντρώσεων των μακρο- και ιχνοστοιχείων στα φύλλα, τις ρίζες και τους καρπούς των φυτών. Τα βασικά αποτελέσματα αυτής της διδακτορικής διατριβής έδειξαν ότι οι μικρόκαρπες ποικιλίες τομάτας (cherry-type) παρουσίασαν την υψηλότερη ανοχή στην αλατόούχο καταπόνηση, καθώς οι ποικιλίες «Cherry-INRAE (1)», «Cherry-INRAE (3)» και «Cherry-INRAE (4)» δεν παρουσίασαν μείωση της παραγωγής όταν εκτέθηκαν σην καταπόνηση αυτή. Ωστόσο, οι μεγαλύτερες παραδοσιακές ποικιλίες, όπως η «de Ramellet», παρουσιάζουν επίσης μηχανισμούς που προσδίδουν ανοχή στην αλατότητα, καθώς η παραγωγή τους δεν επηρεάστηκε σημαντικά υπό συνθήκες καταπόνησης. Οι ποικιλίες για τις οποίες διαπιστώθηκε η ύπαρξη ανοχής ή ανθεκτικότητας στην αυξημένη αλατότητα θα μπορούσαν ενδεχομένως να χρησιμοποιηθούν σε προγράμματα βελτιώσης για την ανάπτυξη νέων ποικιλιών και υβριδίων που είναι καλύτερα προσαρμοσμένα σε περιβάλλοντα που επηρεάζονται από τη συγκεκριμένη καταπόνηση. Τέλος η χρήση ποικιλιών τομάτας που είναι προσαρμοσμένες στην καταπόνηση αλατότητας αποτελεί σημαντική στρατηγική για την προώθηση της βιωσιμότητας της γεωργίας, ιδίως σε ημίξηρες περιοχές όπου η αλατότητα αποτελεί σημαντική πρόκληση. Η πιπεριά (Capsicum annuum L.) είναι ένα φυτικό είδος ιδιαίτερα ευαίσθητο στην αλατότητα, με αποτέλεσμα τη μείωση της παραγωγής κατά περίπου 7,6 % για κάθε μονάδα αύξησης της EC πέραν των 2,8 dS m-1 στο περιβάλλον της ρίζας. Ωστόσο, ορισμένες παραδοσιακές ποικιλίες παρουσιάζουν υψηλή προσαρμοστικότητα σε δυσμενείς περιβαλλοντικές συνθήκες, χωρίς να μειώνουν την απόδοση. Για το σκοπό αυτό διερευνήθηκαν οι επιδράσεις της καταπόνησης από την αλατότητα στην παραγωγή, τη θρέψη και την ποιότητα των καρπών τεσσάρων ποικιλιών πιπεριάς: JO 109, (Capsicum annuum var. grossum), JO 204 (Capsicum annuum var. grossum), JO 207 (Capsicum annuum var. grossum) και «Φλωρίνης». Τα φυτά της ποικιλίας «Yolo Wonder» από τη Καλιφόρνια και το εμπορικό υβρίδιο F1 «Sammy RZ» χρησιμοποιήθηκαν ως μάρτυρες. Τα μισά από τα φυτά αρδεύτηκαν με θρεπτικό διάλυμα που περιείχε NaCl σε συγκέντρωση που μπορούσε να διατηρήσει το επίπεδο NaCl στη ριζόσφαιρα στα 30 mM (φυτά που υποβλήθηκαν σε καταπόνηση), ενώ τα υπόλοιπα φυτά αρδεύτηκαν με ένα θρεπτικό διάλυμα που περιείχε 0,5 mM NaCl (μάρτυρας). Καταγράφηκαν η παραγωγή και τα ποιοτικά χαρακτηριστικά της απόδοσης, όπως συνεκτικότητα, τιτλοδοτούμενη οξύτητα (TA), περιεκτικότητα σε ολικά διαλυτά στερεά (TSSC), ύψος και διάμετρος καρπού. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι παραδοσιακές ποικιλίες ήταν πιο ανθεκτικές στην αλατότητα από τις εμπορικές ποικιλίες «Yolo Wonder» και «Sammy RZ». Επιπλέον, η έκθεση των φυτών πιπεριάς σε αυξημένη αλατότητα είχε ως αποτέλεσμα την αύξηση της ποιότητας των καρπών, η οποία συσχετίστηκε με την αύξηση των TSSC και της ΤA. Ανθρωπογενείς δραστηριότητες όπως η ακατάλληλη χρήση του αρδευτικού νερού που χαρακτηρίζεται από υψηλή περιεκτικότητα σε NaCl, σε συνδυασμό με λανθασμένες αγρονομικές πρακτικές, όπως η ανεπαρκής στράγγιση και η μη ορθολογική λίπανση, δρουν συνεργιστικά στην περαιτέρω αύξηση της έντασης της καταπόνησης. Για να μετριαστεί ο αντίκτυπος αυτής της καταπόνησης χωρίς να διακυβεύεται η απόδοση και η ποιότητα, είναι απαραίτητη η εφαρμογή βιώσιμων αγρονομικών πρακτικών, ικανές να βελτιώσουν την παραγωγικότητα των καλλιεργειών και να ενισχύσουν την ανθεκτικότητα σε δυσμενείς περιβαλλοντικές συνθήκες. Μεταξύ αυτών των πρακτικών, τα εκχυλίσματα φυκιών (SWE) και οι μικροβιακοί βιοδιεγέρτες (PGRBs) αναδεικνύονται ως σημαντικές κατηγορίες φυτικών βιοδιεγερτών ικανών να προάγουν την παραγωγή φυτικής βιομάζας, να αυξήσουν την αποδοτικότητα χρήσης θρεπτικών ουσιών και να ενισχύσουν την ανοχή των φυτών σε διάφορες αβιοτικές καταπονήσεις. Ο σκοπός του τρίτου πειράματος της παρούσας διδακτορική διατριβής ήταν η μελέτη της δυνατότητας μετριασμού της αλατούχου καταπόνησης στην ανάπτυξη, την απόδοση, την ποιότητα του προϊόντος και τη θρεπτική κατάσταση δύο ελληνικών παραδοσιακών ποικιλιών τομάτας («Τοματάκι Σαντορίνης» και «Θεσσαλονίκη») μέσω της εφαρμογής δυο βιοδιεγερτών: α) ενός εκχυλίσματος φυκιών Ascophyllum nodosum (εμπορικό σκεύασμα Algastar) και ενός μείγματος μικροβιακών στελεχών (εμπορικό σκεύασμα Nitrostim). Σα φυτά εφαρμόστηκε διαφυλλικός ψεκασμός με τα σκευάσματα «Algastar» ή «Nitrostim» και αρδεύτηκαν με δύο θρεπτικά διαλύματα: 0,5 mM (χρησιμοποιήθηκε ως μάρτυρας) και 30 mM NaCl στη ριζόσφαιρα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι και οι δύο βιοδιεγέρτες βελτίωσαν την ανάπτυξη των φυτών και την εμπορεύσιμη παραγωγή. Ωστόσο, η αποδοτικότητα εφαρμογής των σκευασμάτων επηρεάστηκε σημαντικά από την αλληλεπίδραση των βιοδιεγερτών με τις υπό μελέτη παραδοσιακές ποικιλίες. Ειδικότερα, ο διαφορετικός τρόπος δράσης των δύο βιοδιεγερτών επηρέασε διαφορετικά την ανοχή των διαφορετικών ποικιλιών στην αυξημένη αλατότητα, καθώς το «Τοματάκι Σαντορίνης» επωφελήθηκε μόνο από την εφαρμογή με SWE, ενώ η «Θεσσαλονίκη» παρουσίασε σημαντική αύξηση στον αριθμό των καρπών και στο μέσο βάρος των καρπών από την εφαρμογή και τον δυο βιοδιεγερτών. Συμπερασματικά, η καταπόνηση που προκαλείται από την αλατότητα μπορεί να αμβλυνθεί με την αύξηση της ανοχής της τομάτας μέσω της εφαρμογής βιοδιεγερτών, ενός βιώσιμου και καινοτόμου εργαλείου για τη βελτίωση της παραγωγικότητας της τομάτας.

Salinity is a major stress factor that compromises vegetable production in semi-arid climates such as the Mediterranean. The accumulation of salts in the soil can be attributed to limited water availability, which can be exacerbated by changes in rainfall patterns and rising temperatures. These factors can alter soil moisture levels and evaporation rates, ultimately leading to an increase in soil salinity, and, concomitantly, the extent to which crop yield is affected by salinity stress is considered cultivar-dependent. In contrast to tomato hybrids, tomato landraces often exhibit greater genetic diversity and resilience to environmental stresses, constituting valuable resources for breeding programs seeking to introduce new tolerance mechanisms. Therefore, in the present study, we investigated the effects of mild salinity stress on the growth, yield, and nutritional status of sixteen Mediterranean tomato landraces of all size types that had been pre-selected as salinity tolerant in previous screening trials. To induce salinity stress, plants were grown hydroponically and irrigated with a nutrient solution containing NaCl at a concentration that could maintain the NaCl level in the root zone at 30 mM, while the non-salt-treated plants were irrigated with a nutrient solution containing 0.5 mM NaCl. Various plant growth parameters, including dry matter content and fruit yield (measured by the number and weight of fruits per plant), were evaluated to assess the impact of salinity stress. In addition, the nutritional status of the plants was assessed by determining the concentrations of macro- and micronutrients in the leaves, roots, and fruit of the plants. The key results of this study reveal that cherry-type tomato landraces exhibit the highest tolerance to salinity stress, as the landraces ‘Cherry-INRAE (1)’, ‘Cherry-INRAE (3)’, and ‘Cherry-INRAE (4)’ did not experience a decrease in yield when exposed to salinity stress. However, larger landraces such as ‘de Ramellet’ also exhibit mechanisms conferring tolerance to salinity, as their yield was not compromised by the stress applied. The identified tolerant and resistant varieties could potentially be used in breeding programs to develop new varieties and hybrids that are better adapted to salinity-affected environments. The identification and utilization of tomato varieties that are adapted to salinity stress is an important strategy for promoting agriculture sustainability, particularly in semi-arid regions where salinity stress is a major challenge. Soil salinity caused by climate change is a major global issue, especially in regions like the Mediterranean basin. Most commercially cultivated horticultural species, including pepper, are considered to be salt sensitive. However, some underutilized genotypes exhibit high adaptability to adverse environmental conditions, without compromising yield. This study aimed to investigate the effects of salinity stress on the yield, nutrition, and fruit quality of four pepper landraces: JO 109 (Capsicum annuum var. grossum), JO 204 (Capsicum annuum var. grossum), JO 207 (Capsicum annuum var. grossum), and ‘Florinis’. The California cultivar ‘Yolo Wonder’ and the commercial F1 hybrid ‘Sammy RZ’ were used as controls. Half of the plants were exposed to a nutrient solution containing NaCl at a concentration that could maintain the NaCl level in the rhizosphere at 30 mM (salt-treated plants), while the remaining plants were irrigated with a nutrient solution containing 0.5 mM NaCl (control plants). Yield and yield quality attributes, such as firmness, titratable acidity (TA), total soluble solids content (TSSC), fruit height, and diameter were recorded. The results revealed that the landraces were more tolerant to salinity than the commercial varieties ‘Yolo Wonder’ and ‘Sammy RZ’. Moreover, subjecting pepper plants to increased salinity resulted in increased fruit quality, manifested by an increase in TSSC and TA. Salinity, one of the major plants’abiotic stresses, significantly hampers germination, photosynthesis, biomass production, nutrient balance and yield of staple crops. Anthropogenic activities such as improper utilization of irrigation water characterized by high salt content, combined with inadequate agronomic practices, such as insufficient drainage and incorrect fertilization, worsen the situation. To mitigate the impact of such stress without compromising yield and quality, sustainable agronomic practices capable of improving crop productivity and fostering resilience to adverse environments should be urgently implemented. Among these practices, seaweed extracts (SWEs) and microbial biostimulants (PGRBs) emerge as important categories of plant biostimulants (PBs) capable of promoting plant biomass production, increasing nutrient use efficiency, and enhancing plant ability to withstand various abiotic stresses. The current research aimed at elucidating the effects on the growth, yield, product quality and nutrient status of two Greek tomato landraces (‘Tomataki Santorinis’ and ‘Thessaloniki’) following treatments with the Ascophyllum nodosum seaweed extract ‘Algastar’ and the PGPB ‘Nitrostim’ formulation. Plants were subjected to bi-weekly applications of ‘Algastar’ or ‘Nitrostim’ and supplied with two nutrient solutions: 0.3 mM (served as control) and 30 mM NaCl. The results revealed that both PBs improved plant growth and marketable yield of tomato plants. However, the ameliorative effect of the PBs application has been found to be cultivar-dependent. The different mode(s)-of-action of the two PBs impacted the tolerance of the different landraces, since ‘Tomataki Santorinis’ was benefited only by the SWE application, while ‘Thessaloniki’ showed significant increase in fruit number and average fruit weight by the application of both PBs at 0.5 and 30 mM NaCl in the root zone. In conclusion, the stress induced by salinity can be mitigated by increasing tomato tolerance through the application of PBs, a sustainable and novel tool for tomato productivity enhancement, which additionally aligns well with the strategy of the European Green Deal.