Natural antifungals from microalgae and the potential application in sustainable farming

Abstract

A agricultura é um dos setores mais afetados pelas mudanças climáticas, com uma das principais consequências sendo o aumento da incidência de fungos fitopatogénicos em culturas importantes, ameaçando a segurança alimentar global. No entanto, os fungicidas sintéticos convencionais não representam uma solução eficaz, uma vez que apresentam problemas de saúde pública e ambientais, levando à resistência em agentes patogénicos e à redução da sua eficácia na proteção das colheitas. Nesse contexto, torna-se uma necessidade urgente encontrar alternativas sustentáveis, como por exemplo as microalgas, capazes de produzir uma variedade de compostos bioativos com propriedades pesticidas, que aliado às suas características as tornam uma alternativa promissora aos fungicidas sintéticos. Neste trabalho, foi avaliada a atividade antifúngica de extratos de várias microalgas em ensaios in vitro contra fungos fitopatogénicos e oomicetos. Os extratos etanólicos HPP (provenientes de biomassas liofilizadas sujeitas a processos de alta pressão) e C (provenientes apenas de biomassas liofilizadas) da microalga Odontella sp. à concentração de 2000 µg/mL, demonstraram taxas de inibição de 40% e 30% contra Phytophthora cinnamomi e 55% e 43% contra Biscogniauxia mediterranea, respectivamente. Por fim, ensaiou-se o protocolo para a avaliação ex vivo da atividade antifúngica dos mesmos extratos em folhas de sobreiro (Quercus suber L.) inoculadas com B. mediterranea, com os resultados a apontar para uma otimização do protocolo, incluindo a seleção de folhas; métodos de desinfeção alternativos; aumento da concentração do extrato; método de inoculação diferente; manutenção de níveis precisos de humidade nas placas de Petri e utilização de materiais esterilizados. Concluindo, com base nos resultados obtidos, fica evidente que os extratos etanólicos de Odontella sp. são uma fonte potencial de fungicidas naturais contra fitopatogénios, incluindo P. cinnamomi, o agente causal da doença da tinta em castanheiros (Castanea sativa) e B. mediterranea, que causa a doença do carvão do entrecasco em sobreiros, duas espécies de plantas de grande importância para Portugal, proporcionando assim uma alternativa promissora e sustentável no combate às infecções fúngicas em plantas.

Agriculture is one of the most affected sectors by climate change, with one of the main consequences being the increased incidence of phytopathogenic fungi in important crops, threatening global food security. However, conventional synthetic fungicides do not offer an effective solution, as they pose public health and environmental problems, leading to resistance in pathogenic agents and a reduction in their efficacy in crop protection. In this context, there is an urgent need to find sustainable alternatives, such as microalgae, capable of producing a variety of bioactive compounds with pesticide properties, which, combined with their characteristics, make them a promising alternative to synthetic fungicides. In this study, the antifungal activity of extracts from various microalgae against phytopathogenic fungi and oomycetes was evaluated in in vitro assays. The ethanolic extracts, HPP (derived from lyophilized biomass subjected to high-pressure processes) and C (derived solely from lyophilized biomass) from the microalga Odontella sp. at a concentration of 2000 µg/mL, demonstrated inhibition rates of 40% and 30% against Phytophthora cinnamomi and 55% and 43% against Biscogniauxia mediterranea, respectively. Finally, the protocol for the ex vivo evaluation of the antifungal activity of these extracts on cork oak (Quercus suber L.) leaves inoculated with B. mediterranea was tested, with the results pointing to an optimization of the protocol, including leaf selection, alternative disinfection methods, increased extract concentration, a different inoculation method, precise humidity control in Petri dishes, and the use of sterilized materials. In conclusion, based on the results obtained, it is evident that the ethanolic extracts of Odontella sp. represent a potential source of natural fungicides against phytopathogens, including P. cinnamomi, the causal agent of ink disease in chestnut trees (Castanea sativa) and B. mediterranea, responsible for charcoal disease in cork oaks, two plant species of great importance to Portugal, thus providing a promising and sustainable alternative in the fight against fungal infections in plants.