Physiological, biochemical, and molecular aspects of induced resistance in soybean against rust using a nitrogen-and calcium-polyphenols compound and a phosphite of nickel and potassium

Abstract

Soybean rust (SR), caused by Phakopsora pachyrhizi, is an aggressive disease that severely reduces the production of soybean crops worldwide. The SR control has been done by spraying fungicides and using cultural practices (e.g., early sowing dates, early detection of the rust symptoms development, cultivars of early maturing, and 60 to 90 days without growing soybean). However, sustainable control methods are preferred nowadays. In this point of view, induced resistance using biotic and abiotic defense elicitors plays an important role in plant disease management. The present study investigated the potential of Cautha® [calcium (11.01%) and nitrogen (3.3%) complexed with polyphenols (10%)] and Blindage Ni® [potassium (20% K2O, 280 g/L), nickel (0.5% Ni, 7 g/L), and phosphorous acid (500 g/L)] in displaying biochemical, molecular, and physiological resistance mechanisms against P. pachyrhizi. In the first study, plants were sprayed with water (control) or Cautha® (referred to as induced resistance [IR] stimulus after that) and inoculated or non-inoculated with P. pachyrhizi. The germination of urediniospores was reduced by 26% in vitro at the same dose of IR stimulus used to spray soybean plants. The rust severity and area under the disease progress curve lowered by 41% (at 15 days after inoculation) and 27%, respectively, for IR stimulus-sprayed plants compared to water-sprayed plants. The IR stimulus treatment greatly reduced the cellular damage caused by P. pachyrhizi infection in soybean tissues, maintained a great content of photosynthetic pigments, enhanced activities of defense-related enzymes, and built a robust antioxidative metabolism compared with the control treatment. In the second study, the factors investigated were water (control) or Blindage Ni® (referred to as induced resistance [IR] stimulus after that) inoculated or non-inoculated with P. pachyrhizi. In vitro, the urediniospores germination was reduced by 99% by IR stimulus. The soybean rust severity and area under the disease progress curve was decreased by 73% (at 15 days after inoculation) and 74%, respectively, in IR stimulus-sprayed plants compared to water-sprayed plants. The infected plants sprayed with IR stimulus maintain the proper functionality of photosynthetic apparatus and a good concentration of pigments. In addition, this treatment reduced the damage and lipid peroxidation in plant tissue, up-regulated the expression of several defense-related genes in plants infected by P. pachirhizi, kept a great concentration of potassium and nickel in soybean tissues, and increased the concentrations of phenolics and lignin in contrast with the control plants. The results of the present study highlighted the positive role of both IR stimuli in activating defense mechanisms against P. pachyrhizi in soybean crop and reducing disease severity.

Keywords: Soybean rust. Glycine max. Plant defense mechanisms. Management of plant disease.

A ferrugem da soja (FS), causada por Phakopsora pachyrhizi, é uma doença agressiva que reduz severamente a produção da cultura da soja em todo o mundo. O controle da FS tem sido feito principalmente por meio de pulverização de fungicidas e uso de práticas culturais (por exemplo, semeadura precoce, detecção precoce do desenvolvimento de sintomas de ferrugem, cultivares de maturação precoce e período de 60 a 90 dias sem cultivo de soja), porém, métodos de controle sustentáveis são preferidos atualmente. Neste sentido, a resistência induzida pelo uso de elicitores de defesa bióticos e abióticos desempenha um papel importante no manejo de doenças de plantas. O presente estudo investigou o potencial de Cautha ® [cálcio (11,01%) e nitrogênio (3,3%) complexados com polifenóis (10%)] e Blindage Ni® [níquel (0,5% Ni, 7 g/L) potássio (20% K2O, 280 g/L) e ácido fosforoso (500 g/L)] na ativação de mecanismos de resistência bioquímica, molecular e fisiológica contra P. pachyrhizi. No primeiro estudo, as plantas foram pulverizadas com água (controle) ou Cautha ® (posteriormente denominado estímulo de resistência induzida [IR]) e inoculadas ou não com P. pachyrhizi. A germinação dos urediniósporos foi reduzida em 26% in vitro na mesma dose de estímulo IR utilizada na pulverização das plantas de soja. A severidade da ferrugem e a área abaixo da curva de progresso da doença reduziram em 41% (15 dias após a inoculação) e 27%, respectivamente, para plantas pulverizadas com estímulo IR em comparação com plantas pulverizadas com água. O tratamento com estímulo IR reduziu o dano celular causado pela infecção por P. pachyrhizi nos tecidos da soja, manteve uma adequada concentração de pigmentos fotossintéticos, aumentou a atividade de proteínas relacionadas à defesa e construiu um metabolismo antioxidante ainda mais robusto em comparação com o tratamento controle. No segundo estudo, os fatores investigados foram água (controle) ou Blindage Ni® (posteriormente denominado estímulo de resistência induzida [IR]) inoculados ou não inoculados com P. pachyrhizi. In vitro, a germinação dos urediniósporos foi reduzida em 99% pelo estímulo IR. A severidade da ferrugem da soja e a área abaixo da curva de progresso da doença diminuíram em 73% (15 dias após a inoculação) e 74%, respectivamente, nas plantas pulverizadas com estímulo IR em comparação com as plantas pulverizadas com água. As plantas infectadas pulverizadas com estímulo IR mantiveram um funcionamento adequado do aparato fotossintético e uma boa concentração de pigmentos. Além disso, este tratamento reduziu os danos e a peroxidação lipídica nos tecidos das plantas, regulou positivamente a expressão de vários genes relacionados à defesa em plantas infectadas por P. pachirhizi, manteve grande concentração de potássio e níquel nos tecidos da soja e aumentou as concentrações de compostos fenólicos e lignina em contraste com as plantas controle. Os resultados encontrados no presente estudo destacaram o papel positivo tanto do estímulo IR em ativar mecanismos de defesa contra P. pachyrhizi na cultura da soja quanto na redução da severidade da doença.

Palavras-chave: Ferrugem da soja. Glycine max. Mecanismos de defesa das plantas. Manejo de doenças de plantas.