ABSTRACT A standard protocol to evaluate the effects of biostimulants on plant physiology is still lacking. The proton pumps present in the vacuolar and plasma membranes are the primary agents responsible for the regulation of the electrochemical gradient that energizes the nutrient uptake system and acid growth mechanism of plant cells. In this study, two of these enzymes were characterized as biochemical markers of biostimulant activity. A simple and fast protocol based on the degree of root acidification using a pH sensitive dye and the Micro-Tom tomato as a plant model is proposed as an efficient methodology to prove the efficacy of biostimulants that are claimed to improve nutrient acquisition and root growth. The results agree with the data from more conventional, expensive and time-consuming proton pump assays. A direct correlation was found between plasmalemma proton-adenosine triphosphatase (H+-ATPase) activation and the amount of rhizosphere acidification observed in the bromocresol gel. Moreover, roots of the diageotropica (dgt) Micro-Tom plants, defective in auxin responses, barely acidify bromocresol purple gel even in the presence of indole-3-acetic acid (IAA, 1 μM). The biostimulant TEA (vermicompost water extract, 25 %) enhances proton extrusion by 40 % in wild type (WT) plants, but no effect was induced in dgt plants. These results reinforce the notion that the class of biostimulant known as humic substances stimulates plant proton pumps and promotes root growth by exerting an auxin-like bioactivity and establish the usefulness of an economically and technically feasible assay to certify this kind of biostimulant.

Since the beginning of Human civilization, the soil organic matter has been used as plant growth promoter and/or regulator. Indeed, early in plant science history, even before the auxin concept has been established, the term "auximones" was coined to describe plant growth promoting humic acids derived from peat. Despite of this, until the end of the 20th century, humic substances remained as some of the most neglected environment signals in plant physiology research. However, this scenario has changed in last decade with the discovery that the major systems of energy transduction of the plant cell membranes, the proton pumps, can be tightly orchestrated by humic substances just as elicited by a hormonal signaling. Differential activations of both plasma membrane (PM H+-ATPase) and vacuolar pumps (V-ATPase and H+-PPase) are modulated by humic substances triggering ion signatures related to specific patterns of plant growth and development. Phytohormones have been found to be associated with this humus bioactivity, and nitric oxide acting as a second messenger in a signaling pathway in which plants can sense the soil environment to cope with specific conditions. In this review, we discuss some of the most influential data available in literature, which have shaped this underexplored interface between the chemistry of the organic matter and the plant physiology. The key role of organic matter in the sustainable agriculture will also be highlighted from a biochemical perspective of the plant cell responses to biofertilization, specially in tropical environments.

A promoção do crescimento vegetal pelos ácidos húmicos tem sido atribuída a ações similares a hormônios, devido à promoção do desenvolvimento e proliferação das raízes, resultando numa absorção mais eficiente de água e nutrientes. O objetivo deste trabalho foi analisar as mudanças na arquitetura radicular em plântulas de milho e no perfil de proteínas da membrana plasmática (MP) promovidas pelo tratamento com ácidos húmicos (AH) isolados de vermicomposto (20mg C L-1). O efeito da adição de ácido cítrico (AC), importante ácido orgânico presente nos exudados radiculares, sobre a bioatividade destes AH também foi investigada. Foram analisados o comprimento da raiz principal, o número de sítios de mitose, o número e comprimento de raízes laterais e a área radicular total. Para a análise do perfil protéico, vesículas da MP de células de raízes foram obtidas por fracionamento celular e as proteínas analisadas por eletroforese uni (1D) e bidimensional (2D). Observou-se que a adição de AC (0,005mM) aos AH estimularam a promoção do crescimento das raízes laterais (126%), da área radicular (58%) e do número de raízes laterais (55%) em relação às plantas controle. A atividade da bomba de H+ da membrana plasmática, analisada como marcador bioquímico de indução do mecanismo do crescimento ácido, também foi significativamente estimulada (374%) pela solução húmica suplementada com AC. O perfil protéico da MP revelou uma supressão da expressão das proteínas nesta membrana, induzida pelo tratamento com AH e, na presença de AC, esse efeito foi ainda mais evidente. Os resultados obtidos corroboram o mecanismo proposto para a bioatividade de AH no qual a ação de ácidos orgânicos exudados pelas plantas, tais como o AC, promove o rompimento da associação supramolecular dessas substâncias, tornando as moléculas bioativas presentes nos agregados húmicos mais acessíveis aos receptores celulares das raízes.

The plant growth stimulation by humic acids (HA) has been attributed to a hormone-like effect as promoting the root development and proliferation, resulting in a more efficient water and nutrient absorption. This research aims to investigate how the humic acids isolated from vermicompost (20mg L-1) can modify the root architecture and the plasma membrane (PM) protein patterns in maize roots. It was also analyzed the effect of the citric acid (CA), an organic acid present in root exudates. The changes induced in the corn root system were estimated by measuring the taproot length, the amount of root mitotic sites and lateral roots, and the total root area. Plasma membrane vesicles were purified by cell fractionation and the protein patterns were analyzed by uni (1D) and bidimensional (2D) electrophoresis. The results show that the HA in solution with CA (0.005mM) increases the lateral root growth promotion (126%), the root area (58%), and the number of lateral roots (55%). The activity of the plasma membrane H+ pump, analyzed as a marker of the induction of the acid growth mechanism, was also enhanced (374%) by the humic solution supplemented with CA. Expression of several plasma membrane proteins was inhibited when plants were treated with HA and this effect was more pronounced upon CA supplementation. The obtained results corroborate the proposed mechanism for the HA bioactivity, by which under the action of root-exuded organic acids, such as CA, a disruption of the HA macrostructure is promoted releasing bioactive molecules presented in the humic aggregates, which becomes more accessible to the root cell receptors.

Substâncias promotoras do crescimento vegetal são amplamente utilizadas na agricultura moderna. Existem vários produtos no mercado, muitos dos quais são substâncias húmicas isoladas de diferentes fontes. A torta de filtro, um resíduo da produção do açúcar, é uma fonte rica e renovável de matéria orgânica e essas características a tornam uma possível fonte de substâncias promotoras do crescimento vegetal. Ácidos húmicos (AH) da torta de filtro foram caracterizados, e foi avaliado seu efeito como promotor de crescimento radicular. As características químicas dos AH foram avaliadas por meio da composição elementar, grupos funcionais ácidos, relação E4/E6 e espectroscopia de infravermelho. A atividade biológica dos AH foi acessada avaliando-se a arquitetura radicular e a atividade da H+-ATPase de membrana plasmática. O desenvolvimento de raízes laterais foi diretamente relacionado ao estímulo da atividade da H+-ATPase. A habilidade dos AH em promover o desenvolvimento radicular indica que AH extraídos da torta de filtro podem ser utilizados como estimuladores do crescimento de plantas.

Plant growth promoting substances are widely used in modern agriculture. Several products in the market are humic substances isolated from different sources. The filter cake, a residue of sugar production, is a rich and renewable source of organic matter and these characteristics place the filter cake as a possible source of plant growth promoting substances. Humic acids (HA) from filter cake were characterized, and their effects as root growth promoters were evaluated. Chemical features of the HA were evaluated through elemental composition, acidic functional groups, E4/E6 ratio and infrared spectroscopy analyzes. The biological activity of the HA was assessed using root architecture parameters and the P-type H+-ATPase activity. The lateral root development was directly related to the stimulation of plasma membrane ATPase activity. The ability of HA to promote root development indicate that HA from filter cake can be used as environmental plant growth stimulators.

Os ácidos húmicos (AH) estimulam diretamente vários processos fisiológicos que promovem o crescimento vegetal, especialmente do sistema radicular. O conhecimento da natureza química e do papel de AH na expressão de efeitos biofertilizantes e bioestimulantes é fundamental para o desenvolvimento de insumos biológicos à base de ácidos húmicos. O objetivo deste trabalho foi avaliar uma possível relação entre a distribuição de massa molecular aparente de AH isolados de vermicomposto e a magnitude de resposta na promoção do crescimento radicular. Para isso, foram obtidas subfrações (SF) dos AH por meio de cromatografia preparativa por exclusão de tamanho em gel de Sephadex G-50 (CGE). O processo preparativo foi validado pelo uso da cromatografia líquida de alta performance por exclusão de tamanho (HPSEC). As cinco frações obtidas foram testadas em diferentes concentrações (0; 0,0001; 0,001; 0,003; 0,005; e 0,01 mol L-1 de C) quanto à sua capacidade de estimular o crescimento radicular de plantas de Arabidopsis thaliana (ecótipo col. 4). Para plantas de milho (Zea mays hyb. UENF 506-6) foi utilizada a dose de 0,002 mol L-1 de C. O modelo quadrático descreveu a indução do crescimento radicular de Arabidopsis e a dose de AH, sendo 0,00511 mol L-1 de C o ponto de inflexão médio. Na concentração ótima, foi observada correlação inversa e significativa entre distribuição de massa molecular e indução do número de raízes laterais em Arabidopsis. No entanto, outros atributos, como área e comprimento radicular, não sofreram influência da massa molecular aparente. Em plântulas de milho, foi observado aumento no número de sítios de mitose e raízes laterais tanto no tratamento com AH como com suas subfrações. A atividade da H+-ATPase de membrana plasmática foi significativamente alterada pelo AH, porém não ocorreu o mesmo com todas as subfrações. A atividade de estimulação do crescimento radicular parece estar mais relacionada com a estrutura química das substâncias húmicas do que com a distribuição de massa molecular dos agregados húmicos.

Humic acids (HA) directly stimulate several physiological processes that promote plant growth, particularly of the root system. Knowledge about the chemical nature and the role of HA in the effects observed under biofertilization and biostimulation is essential to develop HA-based biological resources. The aim of this study was to evaluate a possible relationship between the distribution of the apparent molecular weight of HA isolated from vermicompost and the response in root growth promotion. HA sub-fractions were obtained through preparative chromatography by size exclusion using Sephadex gel G-50 gel (CGE). The preparative process was validated by high-performance size-exclusion chromatography (HPSEC). The five sub-fractions were tested at different concentrations (0; 0.0001; 0.001; 0.003; 0.005; and 0.001 mol L-1 C) for their capacity to stimulate root growth of Arabidopisis thaliana (ecotype col 4) seedlings. For maize seedlings (Zea mays hybrid UENF 506-6) a rate of 0.002 mol L-1 C was used. The quadratic model described the relationship between root growth induction and HA dose in Arabidopsis; 0.00511 mol L-1 C was the average inflection point. At the optimum concentration, a significant negative correlation between molecular weight distribution and the number of lateral roots induced in A. thaliana was observed. However, other root traits, e.g., area and length, were not influenced by the apparent molecular weight of fractions. An increase in the number of mitotic and lateral root emission was observed for maize seedlings, both for the treatment with HA as well as with the sub-fractions. The H+-ATPase activity of plasma membrane was significantly affected by HA, although differently in the sub-fractions. The stimulating activity of root growth seems to be more related to the chemical structure of humic substances than to the distribution of molecular weight of the humic aggregates.

Um dos fatores mais limitantes para a produção de vermicomposto é a disponibilidade de esterco. Neste trabalho, foi avaliado o efeito da substituição parcial do esterco por bagaço de cana e por resíduos de leguminosa (Gliricidia sepium) na vermicompostagem sobre a qualidade do vermicomposto e sobre a bioatividade dos humatos, avaliadas por meio da análise do crescimento radicular e da atividade das bombas de H+ isoladas de raízes de alface. A substituição do esterco por bagaço de cana e por resíduos de leguminosas não acarretou prejuízo às características químicas dos vermicompostos. No entanto, os humatos isolados dos diferentes vermicompostos apresentaram características químicas distintas, tais como: acidez e propriedades óticas distintas. Os humatos produzidos a partir de esterco de bovino e da mistura esterco bovino + bagaço proporcionaram maiores estímulos no crescimento radicular das plantas de alface, sendo os mais indicados para uso na forma solúvel. A inclusão de resíduos de leguminosas no processo de vermicompostagem produziu humatos sem efeito sobre o desenvolvimento das raízes de alface.

Cattle manure availability is one of the most limiting factors for vermicompost production. The effects of the partial substitution of manure with sugarcane bagasse or residues of Gliricidia sepium on the quality of vermicomposts and the bioactivity of their humates were evaluated by analyzing the root growth and H+-ATPase activity of lettuce seedling roots. The substitutions of manure by sugar cane bagasse and legume cover crops residues did not affect the chemical properties of humates. Humates isolated from the different vermicomposts, however, presented different chemical characteristics, such as acidity and distinct optical properties. Humates isolated from manure and manure + bagasse enhanced growth; these are more adequate for use in soluble form. Humates isolated from vermicompost with legume substitution were ineffective in promoting lettuce root growth.

O vermicomposto contém uma concentração elevada de substâncias húmicas e já é bem conhecido o efeito do seu uso sobre as propriedades do solo. No entanto, a ação direta das substâncias húmicas sobre o metabolismo das plantas é menos conhecida. O objetivo deste trabalho foi avaliar o uso de humatos extraídos de vermicomposto de esterco de curral com KOH 0,1 mol L-1 sobre o desenvolvimento e metabolismo de ATP em plântulas de alface. Após a germinação, plântulas de alface foram tratadas com os humatos em concentrações que variaram de 0 a 100 mg L-1 de C, durante quinze dias. Foram avaliados o crescimento da raiz e a atividade das bombas de H+ isoladas da fração microssomal do sistema radicular. Foi observado aumento na matéria fresca e seca do sistema radicular, bem como no número de sítios de mitose, raízes emergidas do eixo principal, na área e no comprimento radiculares, com o uso do humato na concentração de 25 mg L-1 de C. Também foi observado, nessa concentração, aumento significativo na hidrólise de ATP pelas bombas de H+, responsáveis pela geração de energia necessária à absorção de íons e pelo crescimento celular.

Vermicomposts present a high content of humic substances and their effects on soil properties are well-documented. However, direct effects of humic substances on plant metabolism are less known. The aim of this work was to evaluate the use of humates isolated from cattle manure vermicompost with 0.1 mol L-1 KOH on root growth and ATP metabolism of lettuce seedlings. After germination, lettuce seedlings were treated with different humate concentrations (0 to 100 mg L-1 of C) for 15 days. The root growth and the H+-ATPase activity of root cell microsomes isolated by differential centrifugation were evaluated. The humate treatment, at the concentration of 25 mg L-1 of C, increased fresh and dry root mass as well as root area and total length. Also there was a large increase in the number of root mitotic sites and emerged lateral roots in addition to a significant increase of microsomal ATP hydrolysis. The data suggest that the vermicompost bioactivity could be related, at least in part, to the humate-induced activation of the plant cell H+ pumps, which are responsible for generating the energy for nutrient absorption and cell growth.

No presente trabalho, foi avaliada a influência de duas espécies de fungos micorrízicos arbusculares (FMAs) Glomus clarum e Gigaspora margarita sobre as atividades ATPásica e pirofosfatásica de microssomos obtidos por meio de fracionamento celular de raízes de milho colonizadas aos 20, 30, 40 e 60 dias do plantio. Ambos os fungos proporcionaram aumentos significativos nas atividades das ATPases e pirofosfatases; entretanto, as maiores atividades foram observadas nas raízes colonizadas pelo fungo G. clarum. Os dados cinéticos indicaram a presença de uma ativação diferencial das H+-ATPases e H+-pirofosfatases presentes nas membranas das células radiculares, dependendo da espécie fúngica e do estádio da colonização das raízes pelos FMAs. Como indicadores da eficiência da micorrização, foram avaliados a altura e o conteúdo de nutrientes na parte aérea das plantas. Os dados obtidos mostraram a primeira evidência cinética de estimulação de atividade pirofosfatásica em membranas microssomais de raízes colonizadas e descreveram um padrão inédito de ativação diferencial para a hidrólise de ATP, dependendo da espécie (G. clarum ou G. margarita) e do estádio de colonização.

The influence of two species of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) on the ATPase and pyrophosphatase activities of corn root microsomes was investigated at 20, 30, 40, and 60 days after planting. The microsomes were isolated by cell fractionation from corn roots colonized with Glomus clarum or Gigaspora margarita. Both fungi led to a significant increase in the ATPase and pyrophosphatase activities though the highest activities were observed in roots colonized with G. clarum. Kinetics analysis suggested that mycorrhizal colonization promoted a differential regulation of the H+-ATPases and H+-PPases present in the root cell membranes. This regulation varied according to the fungal species and stage of AMF root colonization. Height and nutrient content of the plant shoot were analyzed as parameters of mycorrhization efficiency. The obtained data present the first evidence based on the kinetics of activation of pyrophosphatases in microsomal membranes from colonized roots, and describe a novel pattern for the differential activation of ATP hydrolysis depending on the fungal species (G. clarum or G. margarita) and colonization stage.

O objetivo deste trabalho foi avaliar a composição do húmus de um Argissolo Amarelo de Campos dos Goytacazes, RJ, Brasil. Amostras de solo de quatro profundidades (0-0,05, 0,05-0,10, 0,10-0,20 e 0,20-0,40 m) foram analisados mediante o fracionamento químico da matéria orgânica. As frações ácidos húmicos e fúlvicos foram extraídas e sua natureza química avaliada por meio da composição elementar, relação E4/E6 e espectroscopia de infravermelho transformada de Fourier. A bioatividade das substâncias húmicas foi avaliada mediante sua ação sobre o crescimento radicular de plântulas de milho e atividade da H+-ATPase da fração microssomal das raízes. Os resultados mostraram que é maior o conteúdo de substâncias húmicas alcalino solúveis mais condensadas na camada superficial do solo. A natureza química dos ácidos húmicos e fúlvicos também variou com a profundidade do solo. Os ácidos húmicos isolados das amostras de solo apresentaram maior bioatividade quando comparados aos ácidos fúlvicos, por meio da avaliação do crescimento radicular e da atividade de bombeamento de H+ pela fração microssomal de células das raízes. Os dados reforçam o conceito de que a atividade das bombas de H+ pode ser usada como marcador bioquímico da bioatividade das substâncias húmicas.

The aim of this work was to evaluate the humus composition from an Ultisol from Campos dos Goytacazes, RJ, Brazil. Soil samples of four depths (0-0.05, 0.05-0.10, 0.10-0.20 and 0.20-0.40 m) and its chemical nature were analysed by elemental composition, E4/E6 ratios and Fourier transformed infrared spectroscopy. The bioactivity of these humified substances was evaluated through their action on maize root growth and H+-ATPase activity of roots microsomes. In topsoil, the content of high condensed alkaline soluble humic substances is greater than that found in the subsuperficial layers. The chemical nature of humic and fulvic acids also varied with the soil depth. The humic acids isolated from the soil samples exhibited higher bioactivity compared with the fulvic acids. Moreover, the results suggest that more condensed humic substances can promote highest stimulation of the microsomal H+-ATPases from maize roots. These data reinforce the concept that the activity of the H+ pumps can be used as a biochemical marker for evaluation of humic substances bioactivity.

A bioatividade de ácidos húmicos (AH) isolados de lodo da estação de tratamento de esgoto (AHL) e de vermicomposto (AHV) foi avaliada pela ação dessas substâncias sobre o transporte de prótons através da membrana plasmática de células de raízes de café e milho e sua relação com o desenvolvimento dessas espécies. Houve estímulo da área superficial radicular em ambas as espécies cultivadas com ambos AH, mostrando uma concentração ótima em torno de 40 mg L-1. Nessa condição, os tratamentos com AHL e AHV estimularam a H+-ATPase de membrana plasmática em plântulas de café e milho. Os AHL foram mais efetivos na promoção desses efeitos do que os AHV. A modificação do perfil cromatográfico dos AH em solução antes e após o cultivo das plântulas revelou que a interação planta-AH promoveu uma redistribuição das massas moleculares dessas substâncias, sugerindo uma dinâmica de mobilização de subunidades funcionais dos AH por exsudatos das raízes. A análise estrutural dos AH detectou a presença de grupamentos de auxina. A análise comparativa da ação desses dois AH sobre as espécies representantes de plantas monocotiledôneas (milho) e dicotiledôneas (café) apontam para a ativação da H+-ATPase de plasmalema como possível marcador metabólico de bioatividade dos ácidos húmicos.

The bioactivity of humic acids (HA) isolated from sludge of the station of sewer treatment (HAL) and from vermicompost (HAV) was evaluated through the action of those substances on primary transport of protons of the plasma membrane of coffee and corn root cells and its relationship with the development of those species. A stimulation in the superficial area of roots was observed for both species cultivated with both humic acids, exhibiting an optimum concentration, about 40 mg L-1 of HA. In this condition the treatment with HAL and HAV stimulated the plasma membrane H+-ATPase of corn and coffee roots. HAL were more effective to promote those effects than HAV. The modification of the chromatographic profile of the HA in solution before and after the cultivation of the seedlings revealed that the interaction plant-HA promoted a rearrangement of the average molecular weight of those substances suggesting a dynamic mobilization of bioactive subunits of the HA by plant exudates. The structural analysis of the HA has detected the presence of auxin groups. A comparative analysis of the action of those HA on the monocotyledonous (corn) and dicotyledonous (coffee) plants indicates to the activation of plasmallema H+-ATPase as a possible metabolic marker for bioactivity of humic acids.