Inhibition of potato tuber sprouting and induction of dry rot resistance during storage in response to 1,4 dimethylnaphthalene and methyl jasmonate

Abstract

Potato is globally the third most important food crop and one of the most consumed foods in the world. The Brazilian production is traded either in natura or processed, which requires long- term storage to keep a continuous on-demand supply. One of the biggest challenges regarding potatoes production system is the complexity in delaying the tuber physico-chemical changes during storage. Alongside, the major factors related to excessive costs into potato production are the significant losses associated with the tuber’s susceptibility to fungal diseases and the intense sprouting incidence after the natural dormancy breakdown. Several techniques have emerged to prolong the interval of potato tubers storage, and this includes the addition of chemicals associated with a cooling system. However, issues related to human toxicology and/or environmental concerns have fostered studies on both non-toxic sprouting inhibitors and plant resistance inducers for tubers. Dimethylnaphthalene (DMN) presents inhibitory properties related to sprouting growth, however, the mechanisms by which DMN underlies other biological effects are unknown. Likewise, Methyl Jasmonate (MeJa) has been considered a sprout inhibitor and a potential resistance inducer. Based on this, the present study investigated the mechanisms induced by DMN and MeJa application underlying both sprouting inhibition and resistance induction to dry rot (Fusarium nirenbergiae) by assessing physiological, physico-chemical, and molecular parameters in stored Asterix and Challenger potato tubers. DMN and MeJA reduced the incidence of sprouting and fresh weight loss, and decreased the effects of reducing sugars on non-enzymatic browning and altered the expression of KRP family cell cycle inhibitor genes in Asterix. However, the treatments did not affect the expression of enzymes related to antioxidant and defense systems in both Asterix and Challenger potato tubers. The efficiency of DMN in delaying dry rot incidence caused by F. nirenbergiae, both in vitro and in vivo, is not related to changes in the activity of antioxidant and defense-related enzymes, which suggests a likely direct action of the compounds on the pathogenicity. Moreover, the results evidence a certain level of resistance in Asterix and Challenger cultivars. Keywords: Solanum tuberosum. Sprout inhibitors. Non-enzymatic browning. Endodormancy. Cell cycle inhibitors. Postharvest diseases. Induced resistance.

A batata é a terceira cultura alimentar mais importante do planeta, estando entre os alimentos mais consumidos no mundo. A produção nacional é comercializada in natura ou na forma de processados, o que requer um abastecimento contínuo e um armazenamento de longo prazo após a colheita. No entanto, o maior obstáculo ao uso da batata é a dificuldade em retardar alterações pós-colheita. Dentre os diferentes fatores envolvidos, estão as grandes perdas devido à susceptibilidade dos tubérculos a doenças fúngicas e a intensa brotação após a quebra natural da dormência. Diversas técnicas têm sido utilizadas com o objetivo de aumentar o período de armazenamento dos tubérculos, incluindo a adição de produtos químicos associados à refrigeração. Contudo, questões relativas à toxicologia e aos efeitos sobre o meio ambiente vem estimulando pesquisas com inibidores de brotação e indutores de resistência não tóxicos em tubérculos. O 1,4 Dimetilnaftaleno (DMN) possui propriedades inibidoras relacionadas ao crescimento de brotos, entretanto, os mecanismos pelos quais o DMN exerce outros efeitos biológicos são pouco explorados. Da mesma forma, o Metil Jasmonato (MeJa), em estudos prévios é considerado um inibidor de brotação e potencial indutor de resistência. Portanto, objetivamos investigar os mecanismos induzidos pela aplicação do DMN e MeJa na inibição da brotação e indução de resistência a podridão seca causada por Fusarium nirenbergiae, através da avaliação dos efeitos fisiológicos, físico-químicos e moleculares em tubérculos de batata cultivares Asterix e Challenger armazenados. O DMN e MeJA reduziram a incidência de brotação, perda de massa, minimizaram os efeitos dos açúcares redutores no escurecimento não enzimático e alteraram a expressão dos genes KRP envolvidos no processo de regulação do ciclo celular em tubérculos de batata Challenger. Entretanto, ambos os tratamentos não alteram significativamente a expressão das enzimas relacionadas com o sistema antioxidante e de defesa em tubérculos de batata Asterix e Challenger. A eficiência do DMN em retardar in vitro e in vivo a infecção da podridão seca causada por F. nirenbergiae, não está relacionada com alterações nessas enzimas, o que sugere uma possível ação direta dos produtos sobre o patógeno e não no tubérculo. Ademais, os resultados encontrados confirmaram o nível de resistência presente nas cultivares Asterix e Challenger. Palavras-chave: Solanum tuberosum. Inibidores de brotação. Escurecimento não enzimático. Endodormência. Inibidores do ciclo celular. Doenças Pós-colheita. Indução de resistência.