Gibberellic acid formulations produced by semi-solid state fermentation : a new economic alternative for plant growth stimulation

Orientadora: Profª. Drª. Luciana Porto de Souza Vandenberghe

Coorientador: Profº. Dr. Carlos Ricardo Soccol

Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Bioprocessos e Biotecnologia. Defesa : Curitiba, 06/07/2018

Inclui referências: p.108-120

Resumo: O ácido giberélico (GA3) é um hormônio presente em plantas, o qual apresenta grande interesse agrícola devido as propriedades relacionadas ao desenvolvimento vegetal. O presente estudo avaliou a produção do GA3 via fermentação no estado semissólido, o desenvolvimento de formulações estáveis e os efeitos da sua aplicação. Foram utilizadas polpa cítrica (PC) e casca de soja (CS) como meio de inóculo e produção do GA3 através da cepa Fusarium fujikuroi LPB06. Estudos para definição de formulações líquida e em pó foram realizados usando o extrato fermentado contendo GA3 adicionado de aditivos selecionados. Os efeitos dos produtos obtidos foram avaliados em soja. Uma produtividade de 3.75 mg L-1h-1 de GA3 foi obtida em frascos Erlenmeyer, usando uma mistura de PC/CS (70%/30%). Nas mesmas condições, uma produtividade de 1.66 mg L-1h-1 foi alcançada em Bioreator de Coluna de Bolhas e 2.13 mg L-1h-1 em Bioreator de Tanque Agitado. Nos estudos de formulação líquida, o preservante B (PB) e o surfactante A (SA) foram adicionados ao extrato purificado de GA3, e mantiveram 40% e 24%, respectivamente, da atividade do GA3 após 14 dias a 54°C. O diluente X (DX) e o diluente Y (DY) mostraram melhores efeitos quanto à estabilidade do GA3, mantendo 62% e 76% da atividade, respectivamente (54 °C por 14 dias). A formulação líquida final do extrato de GA3 (Gibbtec LS), ficou definida com a adição de DX (50%) e PB (2.5%), conservando 66% da estabilidade da molécula após 14 dias a 54 °C e 99% após 6 meses em condições ambiente de armazenagem. A formulação em pó do extrato contendo GA3 (Gibbtec SP) foi composta de 10% do carreador A (CA), seco a 180 °C em spray dryer ou liofilizador, mantendo a estabilidade do pó em torno de 90% por 8 e 4 meses, respectivamente. Os estudos de germinação de sementes de soja foi conduzido por meio dos tratamentos T1- sem imersão; T2- água; T3- Progibb® 400; T4- Extrato GA3; T5- Gibbtec LS e T6- Gibbtec SP. T6 apresentou o menor tempo médio de germinação (MGT) (3.08 dias), seguido pelos tratamentos T3 e T4 (3.41 e 3.45 dias). T6 atingiu a maior porcentagem de germinação (96%), 15% mais que o T3. Quanto ao comprimento de raiz e formação de raiz lateral, T4 e T6 promoveram os melhores resultados. O pré-tratamento das sementes com GA3 (T3, T4 e T6) induziram o alongamento caulinar. Os efeitos da aplicação foliar dos tratamentos T1- água; T2- Progibb® 400; T3- Extrato GA3; T4- Gibbtec LS; e T5- Gibbtec SP no desenvolvimento das plantas mostrou que os tratamentos contendo GA3 aumentaram significativamente o tamanho do caule das plantas quando comparado ao T1. T2 apresentou o maior alongamento caulinar e matéria seca do caule (143.8 cm e 12.42 g), seguido pelo T3 (113.33 cm e 11.14 g) and T5 (105.03 cm e 10.23 g). O T1 apresentou altura de 61.60 cm e matéria seca do caule de 9.86 g. Contudo, os produtos desenvolvidos apresentam potencial para serem utilizados na agricultura para estimular o desenvolvimento das culturas.

Abstract: Gibberellic acid (GA3) is a natural plant hormone, which has great agricultural interest due to its properties related to plant development. The present study evaluated GA3 production using a low cost complex medium via semi-solid state fermentation (SSSF), the development of stable formulations and the effects of their application. Citrus pulp (CP) and soybean hulls (SH) were used in fermentation medium for GA3 production through Fusarium fujikuroi LPB 06. Liquid and powder formulation studies were performed using the produced extract of GA3. The effects of different formulations were tested on soybean (Glycine max Pampeana 20RR). GA3 production of 451 mg L- 1 was obtained after 120 hours (3.75 mg L-1h-1) using CP/SH mixture (70%/30%) in Erlenmeyer flasks. A productivity of 1.66 mg L-1h-1 was achieved in Bubble Column Reactor (BCR), and 2.13 mg L-1h-1 in Stirred Tank Reactor (STR). Liquid formulation studies were carried out with the addition of PB and SA to the purified GA3 extract, maintaining 40% and 24% of GA3's activity, respectively, after 14 days at 54 °C. DX (50% and 90%) and DY (90%) showed better effects on GA3 stability, maintaining 62%, 63% and 76%, respectively, of its activity under accelerated conditions (54 °C during 14 days). The final liquid formulation of the GA3 extract, named Gibbtec LS, was defined with the addition of DX (50%) and SA (2.5%), which promoted a conservation of 66% of the molecule's stability after 14 days at 54 °C and 99% after 6 months under ambient storage conditions. The powder formulation of GA3 extract (Gibbtec SP) was composed of 10% CA, dried at 180 °C in a spray dryer, with a GA3 stability around 90% after 8 months. In an alternative drying process using lyophilizer, the GA3 extract with addition of 10% CA remained stable for 4 months. Soybean germination studies were conducted using the treatments: T1- without immersion; T2- water; T3- Progibb® 400; T4- GA3 Extract; T5- Gibbtec LS and T6- Gibbtec SP. T6 presented the lowest mean germination time (MGT) (3.08 days), followed by treatments T3 and T4 (3.41 and 3.45 days). Treatments T1, T2 and T5 showed the highest MGT, 4.25, 4.32 and 4.79 days, respectively. T6 reached the highest germination percentage (96%), 15 % more than T3. Regarding root length and lateral root formation, T4 and T6 promoted the best results. Pre-treatment of seeds with GA3 (T3, T4 and T6) induced caulinar elongation. The effects of foliar applications of T1- water; T2- Progibb® 400; T3-GA3 extract; T4- Gibbtec LS; and T5- Gibbtec SP in plant development showed that treatments containing GA3 significantly increased plant stem size when compared to control (T1). T2 presented the highest stem length and shoot dry matter (143.8 cm and 12.42 g), followed by T3 (113.33 cm and 11.14 g) and T5 (105.03 cm and 10.23 g). T1 presented 61.60 cm of plant height and shoot dry matter of 9.86 g. However, the products developed have the potential to be used in agriculture for crop improvement.