Physiological and biochemical aspects of silicon and magnesium interaction and of the acids beta-aminobutyric and gamma-aminobutyric in the potentiation of wheat resistance against blast

Abstract

Epidemics of blast, caused by Pyricularia oryzae, have caused great yield losses in wheat and disease control has relied on using resistant cultivars combined with fungicides spray. Other control strategies need to be investigated and the use of inducers of host resistance may become an environmentally friendly and viable strategy for blast management. In the first study, the hypothesis that wheat plants with higher foliar concentrations of silicon (Si) and magnesium (Mg) could had their resistance against blast maximized was tested. An in-depth analysis of the photosynthetic apparatus (parameters of chlorophyll (Chl) a fluorescence and pool of photosynthetic pigments) and changes in enzymes activities involved in host defense and in the antioxidant metabolism in the leaves of wheat plants non-supplied (0 mM) or supplied (2 mM) with Si combined to lower (0.25 mM) or adequate (0.6 mM) Mg rates and challenged with P. oryzae were investigated. Blast symptoms were reduced for Si-supplied plants due to higher foliar Si concentration. Magnesium or its possible synergistic effect with Si did not contribute to reduce blast severity even though there was higher foliar Mg concentration for plants supplied with 0.6 mM Mg compared to 0.25 mM Mg. Higher values of variable-to-maximum chlorophyll a fluorescence ratio (F v /F m ), photochemical yield (Y(II)), and yield for dissipation by down-regulation (Y(NPQ)) parameters, great Chl a+b concentration, and less production of malondialdehyde (MDA), hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), and superoxide anion radical (O 2 • - ) were noticed for Si-supplied and infected plants due to less blast symptoms. In general, Si-supplied and infected plants, regardless of Mg rate, displayed higher activities of defense (chitinase (CHI), β-1,3-glucanase (GLU), phenylalanine ammonia-lyase (PAL), peroxidase (POX), and polyphenoloxidase (PPO)) and antioxidative (ascorbate peroxidase (APX), catalase (CAT), glutathione reductase (GR), and superoxide dismutase (SOD)) enzymes as well as more lignin concentration reconfirming, therefore, the potential of Si to increase wheat resistance against blast. No evidence of synergism between Si and Mg or a possible effect of higher foliar Mg concentration to maximize wheat resistance to blast, linked to antioxidative metabolism robustness, was obtained as illustrated by the three independent groups (0.25 mM Mg +Si; 0.6 mM Mg +Si; as well as 0.25 mM Mg -Si and 0.6 mM Mg -Si) generated from principal component analysis. The fact that Mg was not able to reduce blast symptoms cannot discard its indirect and barely participation in the potentiation of host defense responses considering its key functions in plant metabolism even though the physiological and biochemical analysis performed were not able to bring this up for discussion. In the second study, the potential of using β-aminobutyric acid (BABA) and γ-aminobutyric acid (GABA) to induce wheat resistance against blast was investigated. This goal was achieved by performing Chl a fluorescence measurements, determining Chl a+b and carotenoids concentrations, host defense responses (CHI, GLU, POX, PAL, PPO, and LOX activities along with concentrations of phenolics and lignin), antioxidative metabolism (SOD, CAT, APX, and GR activities) as well as oxidative stress (concentrations of MDA, H 2 O 2 , and O 2 • - ) of non-inoculated and inoculated plants from cultivar BRS Guamirim (susceptible to blast) sprayed with water or with solutions (100 mM) of BABA and GABA. Plants were sprayed with BABA and GABA solutions at 48 h before inoculation with B. oryzae. Blast progressed much faster for water and GABA-sprayed plants than for BABA-sprayed plants. The area under blast progress curve was significantly higher by 52 and 47% for plants from control and GABA treatments, respectively, compared to BABA-sprayed plants. Values of Chl a fluorescence parameters F v /F m , Y(II), and Y(NPQ)) linked to Chl a+b and carotenoids concentrations were higher for BABA-sprayed plants than for those of control and GABA treatments. Activities of CHI, GLU, PAL, PPO, and LOX were more remarkable for BABA-sprayed plants than for those from control and GABA treatments. Greater APX, CAT, and SOD activities for BABA-sprayed plants helped to alleviate the stress imposed by higher H 2 O 2 and O 2 • - concentrations in contrast from control and GABA treatments. Taken together, the results of the present study allowed to conclude that supplying BABA to wheat plants increased their resistance against blast in a scenario where the photosynthetic apparatus was preserved along with a boosted defense response and a more robust antioxidative metabolism to counteract the harmful effect imposed by P. oryzae infection. Keywords: Amino acids. Antioxidative metabolism. Fungal disease. Hemibiotrophic pathogen. Host defense responses. Induced resistance. Plant nutrition. Reactive oxygen species.

Epidemias de brusone, causadas por Pyricularia oryzae, têm ocasionado grandes perdas na produção do trigo e o controle dessa doença tem ocorrido com o uso de cultivares resistentes combinado com a pulverização de fungicidas. Outras estratégias de controle precisam ser investigadas e o uso de indutores de resistência pode se tornar uma estratégia ambientalmente amigável e viável para o manejo da brusone. No primeiro estudo, foi testada a hipótese de que plantas de trigo com maiores concentrações foliares de silício (Si) e magnésio (Mg) poderiam ter a resistência à brusone maximizada. Uma análise aprofundada do aparato fotossintético (parâmetros da fluorescência da clorofila (Chl) a e pigmentos fotossintéticos) e alterações nas atividades das enzimas de defesa e do metabolismo antioxidativo em folhas de plantas de trigo não supridas (0 mM) ou supridas (2 mM) com Si em combinação com baixa (0,25 mM) ou adequada (0,6 mM) concentração de Mg e infectadas com P. oryzae foi investigada. Os sintomas da brusone foram reduzidos nas plantas supridas com Si devido à maior concentração foliar de Si. O Mg ou seu possível efeito sinergístico com o Si não contribuíram para reduzir a severidade da brusone, embora ocorreu maior concentração foliar de Mg para as plantas supridas com 0,6 mM de Mg em comparação com 0,25 mM de Mg. Maiores valores da eficiência quântica máxima do fotossistema II (F v /F m ), rendimento fotoquímico (Y(II)) e rendimento quântico de dissipação regulada (Y(NPQ)), alta concentração de Chl a+b e menor produção de aldeído malônico (MDA), peróxido de hidrogênio (H 2 O 2 ) e radical ânion superóxido (O 2 •- ) foram observados para as plantas supridas com Si e infectadas devido a menor severidade da brusone. Em geral, as plantas supridas com Si e infectadas, independentemente da dose do Mg, apresentaram maiores atividades das enzimas de defesa (quitinase (QUI), β- 1,3-glucanase (GLU), fenilalanina amônia-liase (FAL), peroxidase (POX) e polifenoloxidase (PFO)) e do metabolismo antioxidativo (ascorbato peroxidase (APX), catalase (CAT), glutationa redutase (GR) e superóxido dismutase (SOD)), bem como maior concentração de lignina reconfirmando, portanto, o potencial do Si em aumentar a resistência do trigo à brusone. Nenhuma evidência de sinergismo entre o Si e Mg ou um possível efeito da maior concentração foliar de Mg para maximizar a resistência do trigo à brusone, ligada à robustez do metabolismo antioxidante, foi obtida como mostrado pelos três grupos independentes (0,25 mM Mg +Si; 0,6 mM Mg +Si; bem como 0,25 mM Mg -Si e 0,6 mM Mg -Si) obtidos pela análise dos componentes principais. O fato do Mg não ter sido capaz de reduzir os sintomas da brusone não descarta sua possível participação mesmo que indireta na potencialização das respostas de defesa do trigo considerando suas importantes funções no metabolismo vegetal, embora as análises fisiológicas e bioquímicas realizadas não tenham sido capazes de trazer isso à discussão. No segundo estudo, foi investigado o potencial dos ácidos β-aminobutírico (BABA) e γ-aminobutírico (GABA) em induzir a resistência do trigo à brusone. Este objetivo foi alcançado analisando o desempenho fotossintético (medições da fluorescência da clorofila (Chl) a e concentrações de pigmentos fotossintéticos (Chl a+b) e carotenoides), resposta de defesa (atividades da quitinase (QUI), β-1,3-glucanase (GLU), peroxidase (POX), fenilalanina amônia-liase (FAL), polifenoloxidase (PFO), lipoxigenase (LOX) e concentrações de compostos fenólicos e lignina), metabolismo antioxidativo (atividades da superóxido dismutase (SOD), catalase (CAT), ascorbato peroxidase (APX) e glutationa redutase (GR)), assim como o estresse oxidativo (concentrações de aldeído malônico (MDA), peróxido de hidrogênio (H 2 O 2 ) e ânion superóxido (O 2 ●- )) de plantas não inoculadas ou inoculadas da cultivar BRS Guamirim (suscetível à brusone) pulverizadas com água ou com soluções (100 mM) de BABA e GABA. As plantas foram pulverizadas com soluções de BABA e GABA às 48 h antes da inoculação com P. oryzae. A brusone progrediu muito mais rápido nas plantas pulverizadas com água e GABA do que nas plantas pulverizadas com BABA. A área abaixo da curva do progresso da brusone foi significativamente maior em 52 e 47% para as plantas dos tratamentos controle e GABA, respectivamente, em comparação com as plantas pulverizadas com BABA. Os valores dos parâmetros da fluorescência da Chl a F v /F m , Y(II) e Y(NPQ) e as concentrações de Chl a+b e carotenoides foram maiores para as plantas pulverizadas com BABA em comparação com as plantas dos tratamentos controle e GABA. As atividades da QUI, GLU, FAL, PFO e LOX foram mais notáveis para as plantas pulverizadas com BABA do que para aquelas dos tratamentos controle e GABA. Maiores atividades da APX, CAT e SOD para as plantas pulverizadas com BABA ajudaram no alívio do estresse imposto pelas altas concentrações de H 2 O 2 e O 2 •- em contraste com os tratamentos controle e GABA. Levando tudo isso em consideração, os resultados do presente estudo permitem concluir que o fornecimento de BABA às plantas de trigo aumentou a resistência à brusone em um cenário onde o aparato fotossintético foi preservado juntamente com uma maior resposta de defesa e um metabolismo antioxidativo mais robusto para reduzir o efeito negativo imposto pela infecção por P. oryzae. Palavras-chave: Aminoácidos. Doença fúngica. Espécies reativas de oxigênio. Metabolismo antioxidativo. Nutrição de plantas. Patógeno hemibiotrófico. Resistência induzida. Respostas de defesa do hospedeiro.