Induced resistance in rice against brown spot using azelaic acid and a zinc-polyphenol compound

Abstract

Brown spot, caused by the fungus Bipolaris oryzae, has caused serious yield problems in rice production worldwide. The use of resistance inducers may be an alternative to reduce the impacts caused by the disease and increase rice resistance to brown spot. Two experiments organized separately in a 2 × 2 factorial in a completely randomized design were carried out to investigate the potential of two inducers (azelaic acid (AzA) and Semia® [nitrogen (1%) and zinc (Zn) (20%), complexed with plant-derived polyphenols (10%)]) in controlling brown spot in rice plants. The first study investigated the potential of azelaic acid in reducing brown spot symptoms and increasing the defense mechanisms of rice affected by the disease. In vitro assay, conidia exposed to AzA and fungicide did not form germ tubes compared to those in the control treatment (water). The fungal mycelial growth on oat-agar medium was reduced for the fungicide and AzA compared to the control treatment (water). There was a reduction in the severity and area under disease progress curve of brown spot in plants sprayed with AzA compared to those sprayed with water. The photosynthetic performance of AzA-sprayed and infected plants was significantly better than that of control plants, preservation of photosynthetic pigments, bet-ter activities of defense-related enzymes, higher concentrations of metabolites, and more robust antioxidant metabolism compared to those sprayed with water and infected. The superoxide anion radical in AzA-sprayed and infected leaves helped to enhance cellular defense reactions against B. oryzae infection, in addition to exhibiting a fungistatic effect. Conidial germination and fungal growth were severely affected by the fungistatic effect of AzA. These findings high-light the potential of using AzA for brown spot management in rice plants. The second study investigated whether rice plants infected with B. oryzae would increase their resistance when sprayed with the resistance inducer Semia® (IR). There was a reduction in conidia germination and fungal mycelial growth for plants sprayed with IR compared to control plants. Control plants had greater expression of fungal lesions compared to plants treated with IR, which caused a reduction in the area under disease progress curve. There was a considerable increase in the foliar concentration of Zn in plants sprayed with IR compared to plants sprayed with water. Physiologically, plants sprayed with IR and infected showed better photosynthetic performance, higher concentrations of chlorophyll a+b and phenolic compounds, as well as higher activities of enzymes related to defense compared to those sprayed with water and infected with B. oryzae. There was a reduction in the concentration of malondialdehyde, an increase in the activity of ascorbate peroxidase, catalase and glutathione reductase, which reduced the set of reactive oxygen species. In conclusion, the use of IR could complement control strategies to reduce the epidemic rate of brown spot, ensuring lower yield losses. Keywords: Oryza sativa, antioxidative metabolism, defense-related enzymes, induced resistance, plant defense reactions, photosynthesisA mancha-parda, causada pelo fungo Bipolaris oryzae, tem causado sérios problemas de rendimento na produção de arroz em todo o mundo. O uso de indutores de resistência pode ser uma alternativa para diminuir os impactos causados pela doença e aumentar a resistência do arroz a mancha-parda. Dois experimentos organizados separadamente em fatorial 2 × 2 em um delineamento inteiramente casualizado foram realizados para investigar o potencial de dois indutores (ácido azelaico e Semia® [nitrogênio (1%) e zinco (Zn) (20%), complexado com polifenóis derivados de plantas (10%)]) no controle de mancha-parda em plantas de arroz. O primeiro estudo investigou o potencial do ácido azelaico (AzA) em reduzir os sintomas de mancha-parda e aumentar o mecanismo de defesa do arroz acometido pela doença. No ensaio in vitro, os conídios expostos ao AzA e fungicida não formaram tubo germinativo em comparação com aqueles do tratamento controle (água). A área de colônias fúngicas no meio aveia-ágar foi reduzida para o fungicida e AzA em comparação com o tratamento controle (água). Houve redução da severidade e área abaixo da curva de progresso da mancha- parda nas plantas pulverizadas com AzA em comparação com aquelas pulverizadas com água. O desempenho fotossintético das plantas pulverizadas com AzA e infectadas foram significativamente melhores do que as plantas controle, preservação de pigmentos fotossintéticos, melhores atividades das enzimas relacionadas a defesa, maiores concentrações de metabólitos, e um metabolismo antioxidante mais robusto em comparação com aquelas pulverizadas com água e infectadas. O radical ânion superóxido em folhas pulverizadas com AzA e infectadas ajudou a intensificar as reações de defesa celular contra a infecção por B. oryzae, além de exibir um efeito fungistático. A germinação de conídios e o crescimento fúngico foram severamente afetados pelo efeito fungistático de AzA. Essas descobertas destacam o potencial do uso do AzA para o manejo da mancha-parda em plantas de arroz. O segundo estudo investigou se as plantas de arroz infectadas com o B. oryzae aumentariam sua resistência ao ser pulverizadas com o indutor de resistência Semia® (IR). Houve redução da germinação de conídios e do crescimento micelial fúngico para as plantas pulverizadas com IR comparadas com as plantas controle. Sendo que as plantas controle tiveram maior expressão de lesões do fungo comparadas com as plantas tratadas com o IR. O que provocou a redução da área abaixo da curva de progresso da doença. Teve um aumento considerado da concentração foliar de Zn nas plantas pulverizadas com IR comparadas com as plantas pulverizadas com água. Fisiologicamente, as plantas pulverizadas com IR e infectadas apresentaram melhor desempenho fotossintético, maiores concentrações de clorofila a+b e compostos fenólicos, bem como maiores atividades de enzimas relacionadas a defesa comparadas com aquelas pulverizadas com água infectadas por B. oryzae. Houve redução da concentração de malondialdeído, aumento da atividade de ascorbato peroxidase, catalase e glutationa redutase que reduziram o conjunto de espécies reativas de oxigênio. Em conclusão, o uso do IR poderia complementar as estratégias de controle para reduzir a taxa epidêmica de mancha-parda garantindo menores perdas de rendimento. Palavras-chave: Oryza sativa, metabolismo antioxidativo, enzimas relacionadas à defesa, resistência induzida, reações de defesa da planta, fotossíntese