Physiological and biochemical responses of soybean plants sprayed with a compound containing carbon-based nanoparticles and infected by Phakopsora pachyrhizi

Abstract

Rust, caused by the fungus Phakopsora pachyrhizi, is a highly destructive disease that affects soybean production. This study investigated the effect of a compound containing carbon-based nanoparticles in a mixture with nutrients (potassium, magnesium, zinc, iron, and manganese) (NP) on the physiological and biochemical responses of soybean against fungal infection. Plants at the V4 growth stage were sprayed with NP (1 mL/L; 20 mL per plant) or water (control treatment) and inoculated with P. pachyrhizi at 48 h thereafter. Disease severity, concentration of nutrients, parameters of chlorophyll a fluorescence, concentration of pigments, and activities of defense-related and oxidative enzymes were measured in plants from each treatment up to 20 days after inoculation (dai). Severity and area under disease progress curve did not differ statistically between treatments. However, NP-sprayed plants showed less intense visual symptoms (chlorosis and necrosis) and smaller, more compact uredinia. The NP-sprayed and infected plants exhibited significant increases in foliar nitrogen and sulfur concentrations of 12 and 24%, respectively, compared with their counterparts. The NP-sprayed and infected plants showed higher values of (the maximum quantum efficiency of photosystem II, photochemical yield, and electron transport rate, and lower yield for non-regulated dissipation and yield for dissipation by down-regulation, indicating less photoinhibition of the photosynthetic apparatus. Indeed, these plants displayed higher concentrations of Chl a+b and carotenoids at 20 dai. The concentrations of MDA at 1, 5, and 20 dai and hydrogen peroxide at 5 dai were lower for NP-sprayed and infected plants, indicating less lipid peroxidation. On the other hand, these plants displayed higher concentrations of anion superoxide that could impair the fungal infection process along with higher activities of defense enzymes (chitinase, -1,3-glucanase, phenylalanine ammonia-lyase, polyphenol oxidase, and lipoxygenase) and antioxidant (superoxide dismutase, peroxidase, catalase, ascorbate peroxidase, and glutathione reductase) enzymes. It can be concluded that soybean plants sprayed with the NP showed a better nutritional status (improved nitrogen and sulfur use), preservation of the photosynthetic apparatus, and reduced oxidative stress damage associated with biochemical reactions of defense to counteract the infection process of P. pachyrhizi. The NP could be used as a strategy tocomplement the current control methods used for the management of rust in soybean. Keywords: Glycine max; nanoparticles; rust; photosynthesis; plant defense.A ferrugem, causada pelo fungo Phakopsora pachyrhizi, é uma doença altamente destrutiva que afeta a produção de soja. Este estudo investigou o efeito de um composto contendo nanopartículas à base de carbono em mistura com nutrientes (potássio, magnésio, zinco, ferro e manganês) (NP) nas respostas fisiológicas e bioquímicas da soja contra a infecção fúngica. Plantas no estágio de crescimento V4 foram pulverizadas com NP (1 mL/L; 20 mL por planta) ou água (tratamento controle) e inoculadas com P. pachyrhizi após 48 h. A severidade da doença, a concentração de nutrientes, parâmetros da fluorescência da clorofila a, concentração de pigmentos e as atividades de enzimas relacionadas à defesa e enzimas oxidativas foram medidos em plantas de cada tratamento até 20 dias após a inoculação (dai). A severidade e a área abaixo da curva de progresso da doença não diferiram estatisticamente entre os tratamentos. No entanto, as plantas pulverizadas com NP apresentaram sintomas visuais menos intensos (clorose e necrose) e urédias menores e mais compactas. As plantas pulverizadas com NP e infectadas exibiram aumentos significativos nas concentrações foliares de nitrogênio e enxofre de 12% e 24%, respectivamente, em comparação com suas contrapartes não tratadas. As plantas pulverizadas com NP e infectadas apresentaram valores mais altos da eficiência quântica máxima do fotossistema II, do rendimento fotoquímico e da taxa de transporte de elétrons, e valores mais baixos do rendimento de dissipação não regulada e do rendimento de dissipação por desativação regulatória, indicando menor fotoinibição do aparato fotossintético. De fato, essas plantas apresentaram concentrações mais altas de Chl a+b e carotenoides aos 20 dai. As concentrações de MDA aos 1, 5 e 20 dai e de peróxido de hidrogênio aos 5 dai foram menores para as plantas pulverizadas com NP e infectadas, indicando menor peroxidação lipídica. Por outro lado, essas plantas apresentaram concentrações mais altas do ânion superóxido, que poderia prejudicar o processo de infecção fúngica, juntamente com atividades mais elevadas de enzimas de defesa (quitinase, -1,3-glucanase, fenilalanina amônia-liase, polifenol oxidase e lipoxigenase) e enzimas antioxidantes (superóxido dismutase, peroxidase, catalase, ascorbato peroxidase e glutationa redutase). Pode-se concluir que as plantas de soja pulverizadas com o NP apresentaram melhor estado nutricional (melhor uso de nitrogênio e enxofre), preservação doaparato fotossintético e redução dos danos por estresse oxidativo associados a reações bioquímicas de defesa para contrapor o processo de infecção por P. pachyrhizi. O NP pode ser usado como uma estratégia para complementar os métodos de controle atualmente utilizados no manejo da ferrugem da soja. Palavras-chave: Glycine max; nanoparticulas; ferrugem; fotossíntese; defesa vegetal.