Efeitos da suplementação com silício sobre parâmetros fotossintéticos, metabólicos e produtivos em plantas de arroz cultivadas sob redução da disponibilidade de nitrogênio

Abstract

O arroz (Oryza sativa L.) é um dos principais cereais cultivados e consumidos mundialmente, desempenhando papel central na segurança alimentar global. A produtividade dessa cultura, no entanto, é fortemente limitada pela baixa eficiência no uso do nitrogênio (N), nutriente essencial ao desenvolvimento vegetal. O silício (Si), embora não essencial, tem demonstrado efeitos benéficos sobre a fisiologia e o desempenho da cultura do arroz, especialmente sob estresses abióticos. No entanto, pouco se conhece sobre as respostas fotossintéticas, metabólicas e produtivas de plantas de arroz fertilizadas com Si em um cenário de limitação de N. Dessa forma, analisaram-se os efeitos da suplementação com Si sobre essas respostas em plantas de arroz cultivadas sob dois níveis de N (adequado e limitado), utilizando-se dois genótipos contrastantes: o tipo selvagem (WT) da cultivar ‘Oochikara’ e seu mutante (lsi1), com capacidade reduzida de absorver Si. Verificou-se que a limitação de N comprometeu significativamente o crescimento, a fotossíntese (A) e o rendimento de grãos, provocando alterações na morfologia radicular, redução de área foliar, acúmulo de espécies reativas de oxigênio, queda na atividade da enzima RuBisCO e no conteúdo de clorofilas. Em contrapartida, a aplicação de Si atenuou esses efeitos adversos, particularmente no genótipo WT, que possui maior capacidade de absorção de Si. Houve incremento significativo em A, acúmulo de biomassa, rendimento de grãos e melhoria na alocação de N para etapas-chave do processo fotossintético (carboxilação, bioenergético e absorção de luz). A aplicação de Si ocasionou mudanças no padrão de transpiração em ambos os genótipos, reduzindo a transpiração diurna e a intensificando no período noturno, em conjunto com o maior acúmulo de biomassa e rendimento de grãos, promovendo ganhos na eficiência do uso água e na produtividade hídrica. Além disso, a suplementação com Si induziu ajustes metabólicos que favoreceram o acúmulo de açúcares, aminoácidos e proteínas em órgãos vegetativos e nos grãos. Em ambos os genótipos, a aplicação de Si também promoveu o aumento da expressão de genes associados à absorção de N (Amt1;3, Nar2.1 e Nrt2.3b) e absorção de Si (Lsi1 e Lsi2), refletindo uma sinergia na absorção e redistribuição desses elementos; contudo, esses efeitos formam mais evidentes em plantas WT do que lsi1; consequentemente, as maiores concentrações foliares de N observadas com a aplicação de Si estiveram aparentemente associadas à maior expressão dos genes Amt1;3, Nar2.1 e Nrt2.3b. Assim, a suplementação com Si representa uma alternativa promissora e eficaz para mitigar os efeitos deletérios da limitação de N em arroz, ao melhorar a absorção e o acúmulo desse nutriente, promovendo maior desempenho fotossintético e produtivo, culminando em aumento da eficiência no uso do N. Palavras-chave: eficiência do uso do nitrogênio; estresse oxidativo; fotossíntese; nitrogênio; Oryza sativa; produção; silício; trocas gasosas.Rice (Oryza sativa L.) is one of the most widely cultivated and consumed cereal crops worldwide, playing a central role in global food security. However, its productivity is markedly constrained by inherently low nitrogen-use efficiency (NUE), given the essential role of nitrogen (N) in plant growth and metabolism. Although silicon (Si) is not considered an essential nutrient, it has been widely reported to confer physiological and agronomic benefits to rice, particularly under abiotic stress. Still, little is known about how Si modulates photosynthetic, metabolic, and yield- related processes in rice grown under N-limited conditions. This study investigated the effects of Si supplementation on these responses in rice plants subjected to two N levels (adequate and limited), using two contrasting genotypes: the wild-type (WT) cultivar ‘Oochikara’ and its lsi1 mutant, which exhibits reduced Si uptake. N limitation significantly impaired plant growth, photosynthesis, and grain yield; it also altered root morphology, reduced leaf area, increased the accumulation of reactive oxygen species, and diminished RuBisCO activity and chlorophyll concentration. In contrast, Si application alleviated these negative effects, especially in the WT genotype with higher Si absorption capacity. Notable improvements included increased net CO2 assimilation, biomass production, and grain yield, together with enhanced N allocation to key photosynthetic functions, viz. carboxylation, bioenergetics, and light harvesting. Si supplementation also modified transpiration dynamics by reducing daytime and increasing nighttime transpiration. These adjustments, combined with increases in biomass and grain yield, contributed to improved water-use efficiency and water productivity. Moreover, Si triggered metabolic adjustments that promoted the accumulation of sugars, amino acids, and proteins in both vegetative tissues and grains. In both genotypes, Si application also upregulated genes related to N uptake (Amt1;3, Nar2.1, and Nrt2.3b), as well as those encoding silicon transporters (Lsi1 and Lsi2), indicating a synergistic interaction in the uptake and redistribution of Si and N. These gene-expression effects were more pronounced in WT plants, consistent with their higher foliar N concentrations following Si supplementation. Overall, Si fertilization constitutes a promising and effective strategy to mitigate the detrimental effects of N limitation in rice. By enhancing N uptake and accumulation, Si improves photosynthetic performance, biomass production, and grain yield, ultimately contributing to increased NUE. Keywords: gas exchange; nitrogen; nitrogen-use efficiency; Oryza sativa; oxidative stress; photosynthesis; silicon; yield.