Selenium as a mitigation of iron deficiency in soybeans

Abstract

Although iron (Fe) is abundant in most agricultural soils, its bioavailability to plants is limited. The Fe deficiency can cause significant changes in plant metabolites, impacting the plant's life cycle. In this context, selenium (Se) has been shown promising effects against Fe deficiency. However, little is known about the role of selenium (Se) in modulating the nutritional status and the non-enzymatic and enzymatic antioxidant defense system in Fe-deficient soybean. In the first experiment, we evaluated the possible beneficial effect of Se applied in the nutrient solution on photosynthetic pigments, nutritional status, reactive oxygen species accumulation, ascorbate and glutathione metabolites, activity of enzymes involved in the synthesis pathway of these metabolites, and antioxidant defense enzymes, including expression of superoxide dismutase (SOD) isoforms, after exposure to absence, deficiency, and sufficiency of Fe in combination with absence and presence of Se. The higher remobilization of Fe associated with maintenance of foliar N concentration resulted in mitigation of leaf chlorosis and decreased loss of photosynthetic pigments in the absence of Fe with Se. Additionally, under this cultivation condition, the main positive effect of Se was shown to be associated with the modulation of the glutathione cycle. The Se supply also reduced the need to replace SOD-Fe with SOD-Cu due to the positive modulation in the crosstalk between Fe and Cu, as well as attenuated the nutritional imbalance of Zn and Mn, mainly in the absence of Fe. These adjustments prevented lipid peroxidation in plants treated with Se. In the second experiment, we evaluated the effects of Se on dry mass, Fe concentration in the roots and shoots, as well as to assess the photosynthetic performance and primary metabolism in soybean plants subjected to Fe deficiency. In the absence of Fe, plants treated with Se exhibited positive modulation in net CO 2 assimilation rate, improving carboxylation efficiency and photochemical traits compared to plants without Se. The synergistic absence of Se and Fe compromised shoot and root dry mass and protein concentration. Therefore, these findings highlight the potential of Se as a valuable intervention to mitigate Fe deficiency in soybean crops. Keywords: Growth. Antioxidants. Micronutrients. Photosynthesis. Metabolism. Selenium. Iron effect.

Embora o ferro (Fe) seja abundante na maioria dos solos agrícolas, sua biodisponibilidade para as plantas é limitada. A deficiência de Fe pode causar alterações significativas nos metabólitos vegetais, impactando o ciclo de vida da planta. Neste contexto, o selênio (Se) tem demonstrado efeitos promissores contra a deficiência de Fe. No primeiro experimento, avaliamos o possível efeito benéfico do Se aplicado na solução nutritiva sobre pigmentos fotossintéticos, estado nutricional, acúmulo de espécies reativas de oxigênio, metabólitos de ascorbato e glutationa, atividade de enzimas envolvidas na via de síntese desses metabólitos e enzimas de defesa antioxidante, incluindo expressão de isoformas de superóxido dismutase (SOD), após exposição à ausência, deficiência e suficiência de Fe em combinação com ausência e presença de Se. A maior remobilização de Fe associada à manutenção da concentração foliar de N resultou na mitigação da clorose foliar e diminuição da perda de pigmentos fotossintéticos na ausência de Fe com Se. Adicionalmente, sob essa condição de cultivo, o principal efeito positivo do Se mostrou associado à modulação do ciclo da glutationa. O fornecimento de Se também reduziu a necessidade de substituição de SOD-Fe por SOD-Cu devido à modulação positiva na interação entre Fe e Cu, bem como atenuou o desequilíbrio nutricional de Zn e Mn, principalmente na ausência de Fe. Esses ajustes impediram a peroxidação lipídica em plantas tratadas com Se. No segundo experimento, avaliamos os efeitos do Se sobre a massa seca, concentração de Fe nas raízes e na parte aérea, bem como avaliamos o desempenho fotossintético e o metabolismo primário em plantas de soja submetidas à deficiência de Fe. Na ausência de Fe, as plantas tratadas com Se exibiram modulação positiva na taxa de assimilação líquida de CO 2 , melhorando a eficiência de carboxilação e as características fotoquímicas em comparação às plantas sem Se. A ausência sinérgica de Se e Fe comprometeu a massa seca da parte aérea e da raiz e a concentração de proteína. Portanto, essas descobertas destacam o potencial do Se como uma intervenção valiosa para mitigar a deficiência de Fe em culturas de soja. Palavras-chave: Crescimento. Antioxidantes. Micronutrientes. Fotossíntese. Metabolismo. Selênio. Efeito do ferro.