Fotossíntese, metabolismo antioxidativo e respostas de defesa de plantas de arroz infectadas por Microdochium oryzae e supridas com silício

Abstract

A escaldadura, causada pelo fungo Microdochium oryzae, é uma das principais doenças do arroz (Oryza sativa) no Brasil. Considerando que até o momento, informações sobre a interação arroz-M. oryzae são escassas, buscou-se, neste trabalho investigar a fotossíntese, o metabolismo antioxidativo e as respostas de defesa de plantas de arroz da cultivar Primavera, supridas ou não com silício (Si) durante o processo infeccioso de M. oryzae. No primeiro estudo, uma abordagem a fim de avaliar a diversidade de eventos que ocorrem próximo à área infectada numa mesma folha durante a infecção por M. oryzae foi realizada, a fim de contribuir para um maior entendimento na dinâmica fotossintética durante a interação planta- hospedeiro. Para esta finalidade, foi realizada a avaliação de parâmetros e imagens de fluorescência da clorofila a em diferentes áreas próximas a lesão, associando-as, às trocas gasosas e a avaliação dos pigmentos fotossintéticos em plantas de arroz inoculadas ou não inoculadas com M. oryzae. Em plantas não inoculadas com M. oryzae os valores da fotossíntese (A), da condutância estomática (gs) e da taxa transpiratória (E) foram maiores em relação às plantas inoculadas, evidenciando o efeito negativo causado pelo fungo nas trocas gasosas, principalmente em A. A utilização da energia para os processos fotossintéticos e a capacidade de dissipação do excesso de energia na maquinaria fotossintética demonstrados pelos parâmetros de fluorescência de imagem da clorofila a foi comprometida durante a infecção, reduzindo o rendimento fotoquímico e induzindo a inibição do aparato fotossintético nas áreas lesionadas, evidenciando que a infecção tinha efeito local sobre A. Houve diminuição das áreas verdes na superfície do tecido foliar, ocasionado pela expansão das lesões e aumento de tecido necrótico. As concentrações de pigmentos fotossintéticos diminuíram significativamente com o progresso da escaldadura o que limitou a absorção da radiação fotossinteticamente ativa. No segundo estudo, buscou-se investigar a atividade das enzimas antioxidativas ascorbato peroxidase (APX), peroxidase (POX), catalase (CAT), superóxido dismutase (SOD) e glutationa redutase (GR), os danos causados à membrana celular através da concentração de aldeído malônico (MDA), as concentrações de peróxido de hidrogênio (H2O2) e de pigmentos fotossintéticos, bem como trocas gasosas em folhas de plantas de arroz durante o processo infeccioso de M. oryzae. O progresso da doença promoveu redução da A, gs e E. Houve também incrementos na concentração interna de CO2 e redução na concentração de pigmentos fotossintéticos ocasionados pela expansão das lesões, comprometendo a absorção da radiação fotossinteticamente ativa e limitando a fotossíntese. As atividades das enzimas envolvidas no sistema antioxidativo nas plantas de arroz infectadas por M. oryzae aumentaram na tentativa de impedir o acúmulo de H2O2, principalmente APX, POX e GR, não sendo, entretanto, eficientes na remoção do excesso de H2O2, resultando em dano oxidativo. As concentrações de MDA nas plantas inoculadas mantiveram-se elevadas no final do processo infeccioso, como resultado da peroxidação lipídica. No terceiro estudo, buscou-se, investigar o efeito do Si sobre as trocas gasosas, a eficiência fotoquímica do fotossistema II e a concentração de pigmentos fotossintéticos em plantas de arroz infectadas por M. oryzae. Para esta finalidade plantas de arroz da cultivar Primavera foram cultivadas em solução nutritiva contendo 0 ou 2 mmol L-1 de Si e não inoculadas ou inoculadas com M. oryzae. A infecção por M. oryzae reduziu o rendimento fotossintético, o qual esteve associado com a menor concentração de pigmentos fotossintéticos nas folhas. Na presença de Si, a atividade fotossintética e a eficiência de utilização da energia luminosa e sua conversão em energia química foram potencializados, conforme demonstrado pelos parâmetros de fluorescência de imagem da clorofila a, independente da inoculação com M. oryzae, confirmando assim, que o Si é um elemento importante no rendimento fotossintético em plantas de arroz infectadas por M. oryzae. No quarto estudo, buscou-se, investigar o papel do Si na resistência de plantas de arroz infectadas por M. oryzae. Para esta finalidade, plantas de arroz da cultivar Primavera foram cultivadas em solução nutritiva contendo 0 ou 2 mmol L-1 de Si e inoculadas com M. oryzae. A concentração foliar de Si aumentou nas plantas supridas com esse elemento em relação às plantas não supridas o que contribui para reduzir a expansão das lesões. A extensão dos danos celulares em resposta a infecção por M. oryzae foi reduzida nas plantas supridas com Si, evidenciado pelos menores valores da concentração de MDA. Maiores concentrações de compostos fenólicos solúveis totais (CFST) e de derivados da lignina-ácido tioglicólico (DLATG) nos tecidos foliares das plantas supridas com Si, contribuíram para a resistência à escaldadura. Maiores atividades das enzimas peroxidases (POX), polifenoloxidases (PFO), fenilalanina amônia-liases (FAL) e lipoxigenases (LOX), mas não de quitinases (QUI) e β-1,3-glucanases (GLU), nos tecidos foliares das plantas de arroz supridas com Si foram importantes para a resistência à escaldadura. Em conclusão, os resultados do presente estudo evidenciam que o Si pode aumentar a resistência à escaldadura em plantas de arroz, melhorando o rendimento fotossintético e potencializando mecanismos bioquímicos de defesa ao invés de agir apenas como uma barreira física na tentativa de conter a penetração de M. oryzae.

The scald caused by the fungus Microdochium oryzae is a major disease of rice (Oryza sativa) in Brazil. Whereas until now, information on the interaction rice-M. oryzae are scarce, we sought in this paper to investigate photosynthesis, metabolism antioxidative and defense responses of rice plants of cultivar Primavera, or not supplied with silicon (Si) during the infection process of M. oryzae. In the first study, an approach to assess the diversity of events that occur near the infected area on one sheet when the infection with M. oryzae was carried out in order to contribute to a greater understanding of the dynamics during photosynthetic plant-host. For this purpose, we analyzed the fluorescence parameters and images of chlorophyll a in different areas around the injury, associating them, gas exchange and evaluation of photosynthetic pigments in rice plants inoculated or not with M. oryzae. Not in plants inoculated with M. oryzae values of photosynthesis (A), stomatal conductance (gs) and transpiration rate (E) were higher than those inoculated plants, indicating the negative effect caused by the fungus in gas exchange, especially in A. The use of energy for photosynthetic processes and dissipation of excess energy in the photosynthetic machinery demonstrated by fluorescence parameters and images of chlorophyll a was compromised during the infection, reducing the yield and photochemical induced inhibition of the photosynthetic apparatus in the injured areas, showing that the infection had local effect on A. There was decrease in the surface areas of the green leaf tissue, caused by the expansion of lesions and necrotic tissue augmentation. The photosynthetic pigments decreased significantly with the progress of scalding which limited the absorption of photosynthetically active radiation. In the second study, we sought to investigate the activity of antioxidant enzymes ascorbate peroxidase (APX), peroxidase (POX), catalase (CAT), superoxide dismutase (SOD) and glutathione reductase (GR), damage to the cell membrane through concentration malondialdehyde (MDA), the concentrations of hydrogen peroxide (H2O2) and photosynthetic pigments as well as gas exchange in leaves of rice plants during the infectious process of M. oryzae. The progress of the disease promoted reduction of the A, gs and E. There were also increases in internal CO2 concentration and reduction in the concentration of photosynthetic pigments caused by the expansion of lesions affecting the absorption of photosynthetically active radiation and limiting photosynthesis. The activities of enzymes involved in the antioxidant system in rice plants infected by M. oryzae increased in an attempt to prevent accumulation of H2O2, especially APX, POX and GR is not, however, efficient removal of excess H2O2, resulting in oxidative damage. The concentration of MDA in the inoculated plants remained high at the end of the infection as a result of lipid peroxidation. In the third study, we sought to investigate the effect of Si on gas exchange, photochemical efficiency of photosystem II and the concentration of photosynthetic pigments in rice plants infected by M. oryzae. For this purpose the rice plants Primavera were grown in nutrient solution containing 0 or 2 mmol L-1 of Si and not inoculated or inoculated with M. oryzae. Infection with M. oryzae reduced the photosynthetic yield, which was associated with the lowest concentration of photosynthetic pigments in leaves. In the presence of Si, photosynthetic activity and efficiency of utilization of light energy and its conversion into chemical energy were potentiated, as demonstrated by f fluorescence parameters and images of chlorophyll a, regardless of inoculation with M. oryzae, thus confirming that Si is an important element in quantum yield in rice plants infected by M. oryzae. In the fourth study, we sought to investigate the role of Si in resistance of rice plants infected by M. oryzae. For this purpose, the rice plants Primavera were grown in nutrient solution containing 0 or 2 mmol L-1 of Si and inoculated with M. oryzae. The Si concentration increased in the leaf of plants supplied with this element in relation to unmet plants which contributes to reduce the spread of lesions. The extent of cellular damage in response to infection with M. oryzae was reduced in plants supplied with Si, evidenced by lower values of MDA concentration. Higher concentrations of total soluble phenolics (TSP) and derivatives of lignin-thioglycolic acid (DLATG) in the leaves of plants supplied with Si, contributed to resistance to scald. Major activities of the enzymes peroxidase (POX), polyphenol oxidases (PPO), phenylalanine ammonia-lyase (PAL) and lipoxygenase (LOX) but not chitinase (CHI) and β-1, 3- glucanases (GLU) in leaf tissues of rice plants were supplied with Si important for resistance to leaf scald. In conclusion, the results of this study indicate that the Si can increase resistance to scald in rice plants, improving performance and enhancing photosynthetic biochemical defense mechanisms rather than merely acting as a physical barrier in an attempt to contain the penetration of M . oryzae.