Photorespiratory changes and induced resistance on tomato against septoria leaf spot by a phosphite combined with free amino acids

Abstract

Septoria leaf spot (SLS), caused by Septoria lycopersici, is a destructive disease in tomato. Infection of plants by pathogens causes changes in photosynthesis, photorespiration and respiration that will affect defense responses. The first study investigated the impacts caused on photorespiration in tomato leaves by S. lycopersici infection. Infection reduced photosynthesis and pigment concentration and increased respiration and the photorespiration/crude photosynthesis ratio increased in infected leaves. S. lycopersici infection caused great oxidative damage as demonstrated by increased concentrations of malonaldehyde, superoxide anion and hydrogen peroxide. We evaluated the expression of genes involved in the photorespiratory pathway (GOX1, GOX2, SHMT2, SMHT3 and GLYK), nitrogen metabolism (Fd-GOGAT) and stress acclimatization (mMDH1, mMDH2 and CAT) and observed an up- regulation during the process of S. lycopersici infection. A better understanding of the physiological changes that occur in the leaves of tomato plants infected by S. lycopersici at the level of photorespiration may contribute to the development of cultivars more efficiently to cope with the fungal infection. In the second study, we investigated the use of potassium phosphite combined with free L-α-amino acids (called stimulus induced resistance (IR)) to increase tomato defense responses against S. lycopersici infection. Plants that received the RI stimulus showed a reduction in the severity of SLS and less colonization of leaf tissue by S. lycopersici (lower expression of TEF-1α). Plants sprayed with IR stimulus showed lower concentrations of malonaldehyde, hydrogen peroxide and superoxide anion radical, while sucrose, fructose and starch concentrations and high ascorbate peroxidase, catalase, glutathione reductase and superoxide dismutase activities increased when compared to plants sprayed with IR stimulus. water in response to S. lycopersici infection. The photosynthetic apparatus was less compromised, which resulted in higher concentrations of chlorophyll a+b and carotenoids in plants sprayed with RI stimulus. We observed that genes involved in host defense reactions (CHI3, CHI9, GLU, PAL3, POX3, PPOB and PPOF) and those related to acquired systemic resistance (PAL3 and ICS) or induced systemic resistance ((ethylene production - ACO2, ACO3, ACO5 and ACO4) and the jasmonic acid signaling pathway (LOX1.1, LOXB, LOXC andPDF1.2)) and we observed an up-regulation for plants infected and sprayed with RI stimulus. These findings highlight the potential of using this IR stimulus for the management of SLS. Keywords: Antioxidative metabolism. Foliar disease. Host defense responses. Induced resistance. Necrotrophic pathogen.

A mancha foliar de Septoria (SLS), causada por Septoria lycopersici, é uma doença destrutiva em tomateiro. A infecção de plantas por patógenos causa alterações na fotossíntese, fotorrespiração e respiração que afetarão as respostas de defesa. O primeiro estudo investigou os impactos causados na fotorrespiração em folhas de tomate pela infecção por S. lycopersici. A infecção reduziu a fotossíntese e a concentração de pigmentos e aumentou a respiração e a razão fotorrespiração/fotossíntese bruta aumentaram nas folhas infectadas. A infecção por S. lycopersici causou grande dano oxidativo como demonstrado pelo aumento das concentrações de malonaldeído, ânion superóxido e peróxido de hidrogênio. Nós avaliamos a expressão de genes envolvidos na via fotorrespiratória (GOX1, GOX2, SHMT2, SMHT3 e GLYK), metabolismo do nitrogênio (Fd-GOGAT) e aclimatação ao estresse (mMDH1, mMDH2 e CAT) e observamos uma regulação positivamente durante o processo de infecção por S. lycopersici. Uma melhor compreensão das alterações fisiológicas que ocorrem nas folhas de tomateiros infectados por S. lycopersici ao nível da fotorrespiração pode contribuir para o desenvolvimento de cultivares de forma mais eficiente para o enfrentamento da infecção fúngica. No segundo estudo, nós investigamos o uso de fosfito de potássio combinados com de L--aminoácidos livres (estímulo chamado resistência induzida (RI)), para aumentar as respostas de defesa do tomateiro contra a infecção por S. lycopersici. Plantas que receberam o estímulo RI apresentaram redução na severidade de SLS e menor colonização do tecido foliar por S. lycopersici (menor expressão de TEF-1  ). As plantas pulverizadas com estímulo IR mostraram menores concentrações de malonaldeído, peróxido de hidrogênio e radical ânion superóxido, enquanto as concentrações de sacarose, frutose e amido e grandes atividades de ascorbato peroxidase, catalase, glutationa redutase e superóxido dismutase aumentaram quando comparada com plantas pulverizadas com água em resposta à infecção por S. lycopersici. O Aparato fotossintético foi menos comprometido o que resultou em maiores concentrações dee clorofila a+b e carotenoides em plantas pulverizadas com estímulo RI. Nós observamos que os genes envolvidos em reações de defesa do hospedeiro (CHI3, CHI9, GLU, PAL3, POX3, PPOB e PPOF) e aqueles relacionados à resistência sistêmica adquirida (PAL3 e ICS) ou resistênciasistêmica induzida ((produção de etileno - ACO2, ACO3, ACO5 e ACO4) e a via de sinalização do ácido jasmônico (LOX1.1, LOXB, LOXC e PDF1.2)) e observamos uma regulação positivamente para plantas infectadas e pulverizadas com estímulo RI. Esses achados destacam o potencial do uso desse estímulo de RI para o manejo de SLS. Palavras-chave: Metabolismo antioxidante. Doença foliar. Respostas de defesa do hospedeiro. Resistência induzida. Patógeno necrotrófico.