The utilization of frass from the yellow mealworm (Tenebrio molitor) as a plant fertilizer and immune stimulant

Abstract

Produksjon av insekt er en hurtigvoksende industri verden over, siden insekter kan oppsirkulere matavfall til en bærekraftig proteinkilde som kan brukes både som menneskemat og som dyrefôr. Det mest omfangsrike biproduktet fra insektproduksjon er insektavføringen, kalt "frass" på fagspråket. Frass blir produsert i større volum enn de faktiske insektproduktene, og bør bli utnyttet for å opprettholde en sirkulærøkonomi i produksjonen. Den vanligste bruken av frass i dag er som plantegjødsel, grunnet det relativt høye næringsinnholdet i frass. Det er også grunner til å tro at kitininnholdet i frass som stammer fra insektenes eksoskjelett kan aktivere en immunrespons hos planter, som potensielt kan øke deres motstandsdyktighet mot sykdom og skadedyr gjennom såkalt priming. Dette har enda ikke blitt vitenskapelig bevist og blir undersøkt i denne avhandlingen, sammen med en evaluering av gjødslingseffekten til frass fra melorm (Tenebrio molitor). Eksperimenter med tomat (Solanum lycopersicum var. Moneymaker) bekreftet at frasset hadde en gjødslingseffekt ved 2% voluminklusjon i jorden. Et næringsmangelforsøk med solsikke (Helianthus annuus) viste at frass kan alene tilføre tilstrekkelige mengder av flere næringsstoffer ved 5% voluminklusjon, men ikke nitrogen, som ble tilført i for liten mengde for optimal vekst. Et ROS-forsøk viste en immunrespons i Arabidopsis thaliana av en ren kitin-standard, men ikke av frass eller insektskall. Tilsvarende ble callose kun observert i røttene til Arabidopsis behandlet med rent kitin. En undersøkelse av genuttrykk i Arabidopsis thaliana som var dyrket i jord med frass eller insektskall og deretter infisert med Botrytis cinerea, viste en høyere induksjon av forsvarsrelaterte gener i frass- og insektskall-behandlingene sammenlignet med kontrollbehandlingen. Dette kan antyde en priming-effekt. Patogenforsøk med B. cinerea og Pseudomonas syringae indikerte økt motstandsdyktighet mot nekrotrofe patogener hos planter som var behandlet med insektskall. Ytterligere forskning må gjennomføres, spesielt angående mulige immunstimulerende egenskaper ved frass, for å underbygge de lovende resultatene som ble oppnådd i denne masteravhandlingen.

Insect production is a rapidly growing industry worldwide, as it presents a promising solution for effective recycling of organic waste while being a sustainable protein source for use in both food and feed. The most abundant by-product of insect production is insect feces, scientifically known as ‘frass’. Frass is produced in greater volumes than the actual insect products and should be utilized in order to maintain a circular economy. Today's most common use of frass is as a plant fertilizer due to its relatively high nutritional content. However, there is also reason to believe that the chitin content of frass, originating from the insect exoskeleton, leads to activation of immune responses in plants, potentially increasing their resistance towards pests and pathogens through so-called priming. This has not yet been proven by research and is investigated in this thesis, together with an assessment of the fertilizer qualities of frass from the yellow mealworm (Tenebrio molitor). Fertilization experiments conducted with tomato plants (Solanum lycopersicum var. Moneymaker) confirmed that the frass had a fertilizing effect at 2% by volume. A nutrient deficiency assay with sunflower (Helianthus annuus) showed that frass alone could provide sufficient amounts of several macronutrients when applied to the soil at a 5% volume inclusion, but had trouble contributing enough nitrogen to the sunflower plants. A ROS assay showed a triggered immune response in Arabidopsis thaliana by pure chitin but not by frass or insect skin residue. Similarly, callose deposition was only observed in roots of Arabidopsis treated with chitin. A gene expression analysis of Arabidopsis thaliana, grown in frass and insect skin-treated soil and infected with Botrytis cinerea, showed higher induction of defense-related genes in the frass and insect skin treatments compared to control treatments, suggesting a priming effect. Pathogen assays with B. cinerea and Pseudomonas syringae indicated an increased resistance against necrotrophs in plants fertilized with insect skin residue. More research should be conducted, especially on the immune-stimulating aspect of frass, to corroborate the promising results obtained during this project.