Physiological and biochemical changes on rice plants supplied with glutamate in response to Pyricularia oryzae infection

Abstract

Considering the importance of blast, caused by Pyricularia oryzae, to decrease rice yield worldwide, this study aimed to assess the photosynthetic performance (leaf gas exchange and chlorophyll (Chl) a fluorescence as well as the photosynthetic pigments concentration), the activities of antioxidant enzymes (ascorbate peroxidase (APX), catalase (CAT), peroxidase (POX), superoxide dismutase (SOD), glutathione peroxidase (GPX), glutathione reductase (GR), glutathione-S-transferase (GST)) and concentrations of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and malondialdehyde (MDA) in leaves of plants non-supplied (-Glu) or supplied (+Glu) with glutamate (Glu). Blast severity and the number of lesions per cm 2 of leaf were significantly lower for +Glu plants in comparison to -Glu plants. On the infected leaves of +Glu plants, the values for internal CO 2 concentration were lower while the values for net carbon assimilation rate, stomatal conductance as well as for the concentrations of Chl a, Chl b, and carotenoids were higher in comparison to infected leaves of -Glu plants. The functionality of the photosynthetic apparatus was preserved on the infected leaves of +Glu plants. The activities of CAT, GPX, GR, POX, and SOD increased on the infected leaves of both -Glu and +Glu plants compared to their non-inoculated counterparts, but their activities were lower for +Glu plants. The lower activities of these antioxidative enzymes was triggered by the reduced hydrogen peroxide concentration on the infected leaves of +Glu plants that resulted in lower malondialdehyde concentration. For inoculated +Glu plants, the activities of β-1-3- glucanase, chitinase, phenylalanine ammonia-lyase, and polyphenoloxidases as well as the concentrations of total soluble phenolics and lignin-thioglycolic acid derivatives were significantly higher for inoculated +Glu plants in comparison to inoculated -Glu ones. Based on the data from the present study, it can be concluded that photosynthesis was less impaired on plants supplied with glutamate and infected by P. oryzae due to the lower biochemical constraints for CO 2 fixation. There was a need for lower activities of reactive oxygen species scavenging enzymes on the infected leaves of plants supplied with glutamate due to the lower oxidative stress as a result of P. oryzae infection. Moreover, blast severity was reduced on Glu supplied plants due to an increase on the activities of defense enzymes and high concentrations of phenolics and lignin.

Considerando a importância da brusone, causada pelo fungo Pyricularia oryzae, em reduzir a produção de grãos de arroz em todo o mundo, este trabalho teve como objetivo avaliar o desempenho fotossintético (trocas gasosas, fluorescência da clorofila (Cl) a e a concentração de pigmentos fotossintéticos), as atividades de enzimas do sistema antioxidativo (ascorbato peroxidases (APX), catalase (CAT), peroxidases (POX), superóxido dismutase (SOD), glutationa peroxidase (GPX), glutationa redutase (GR), glutationa-S-transferase (GST)) e as concentrações de peróxido de hidrogênio (H 2 O 2 ) e aldeído malônico (MDA) em folhas de arroz supridas ou não com glutamato (+Glu e -Glu, respectivamente). O presente estudo também objetivou investigar o potencial do Glu em aumentar a resistência do arroz à brusone avaliando um possível aumento nas atividades de enzimas de defesa (β-1-3- glucanase (GLU), quitinase (QUI), fenilalanina amônia-liase (FAL) e polifenoloxidases (PFO)) e nas concentrações de compostos fenólicos e lignina. A severidade da brusone e o número de lesões por cm 2 nas folhas foram significativamente reduzidas nas plantas +Glu em comparação com as plantas -Glu. As folhas infectadas por P. oryzae das plantas +Glu apresentaram menores valores da concentração interna de CO 2 quando comparadas com as folhas das plantas -Glu. Por outro lado, a taxa de assimilação líquida de CO 2 , a condutância estomática e as concentrações de pigmentos fotossintéticos foram maiores nas folhas infectadas das plantas +Glu em comparação às folhas infectadas das plantas -Glu. A funcionalidade do aparato fotoquímico foi preservada nas folhas infectadas das plantas +Glu em comparação as plantas -Glu. Comparado às plantas não inoculadas, as atividades da CAT, GPX, GR, POX e SOD aumentaram nas folhas inoculadas das plantas independente do suprimento com Glu. Contudo, menores atividades foram observadas nas folhas inoculadas das plantas +Glu quando comparadas com as folhas das plantas -Glu. As concentrações de H 2 O 2 e MDA foram menores nas folhas infectadas das plantas +Glu quando comparado com as folhas infectadas das plantas - Glu. Para as plantas inoculadas, as atividades da GLU, QUI, FAL e PFO, bem como as concentrações de compostos fenólicos e lignina, foram significativamente maiores para as plantas +Glu em comparação com às plantas -Glu. Os dados do presente estudo fornecem as primeiras evidências de que as trocas gasosas e a eficiência fotoquímica foram preservadas nas plantas supridas com Glu e infectadas por P. oryzae. Além disso, as folhas infectadas das plantas supridas com Glu apresentaram menores atividades das enzimas do sistema antioxidativo. Por outro lado, foi evidenciado nesse estudo que o suprimento de glutamato às plantas proporcionou maiores atividades das enzimas de defesa e altas concentrações de compostos fenólicos e lignina.