Wheat resistance to blast using a non-host selective toxin and host metabolic reprogramming through a successful infection by Pyricularia oryzae

Abstract

Blast, caused by Pyricularia oryzae, has become an economically important disease in wheat in South America. One of the management strategies for minimizing the losses caused by blast includes the use of resistant cultivars. Alternatively, the use of inducers of resistance showed the potentiation to increase wheat resistance to blast. This study aimed: i) to determine the physiological and biochemical alterations in wheat plants sprayed with a non-phytotoxic concentration of α-picolinic acid (PA), which is a non-host selective toxin produced by P. oryzae and ii) to establish the degree of metabolic manipulation exerted during the infection by P. oryzae on plants from cultivars with different levels of basal resistance to blast. The spray of leaves of plants with a non-phytotoxic concentration of PA (0.1 mg mL -1 ) resulted in less blast symptoms in association with a better photosynthetic performance, an improvement on the antioxidant metabolism and reduced concentrations of H 2 O 2 , O 2 ●- and malondialdehyde. The cultivars BR-18 and EMBRAPA-16 were more resistant to blast in comparison to cultivar BRS-Guamirim. The photosynthetic performance of the infected plants was altered due to diffusional and biochemical limitations for CO 2 fixation. During the asymptomatic phase of P. oryzae infection, drastic changes in the carbohydrates metabolism and on the levels of amino acids, intermediates compounds of Krebs cycle and polyamines occurred on plants from the three cultivars suggesting a metabolic manipulation exerted by the pathogen. However, amore efficient antioxidant metabolism was able to help the wheat plants to counteract against the deleterious effects of P. oryzae infection in association with great phenylalanine ammonia lyases and polyphenoloxidases activities and high concentrations of phenolics and lignin. Based on this information, it is possible to conclude that a non- phytotoxic concentration of PA elicited the activation of host defense mechanisms that reduced blast severity. Likewise, the infection of leaves by P. oryzae induced remarkable disturbances in the primary metabolism and some of them were conserved among the cultivars regardless of their basal level of resistance to blast.A brusone, causada por Pyricularia oryzae, é considerada uma doença economicamente importante para trigo na América do Sul. Uma das estratégias de manejo para minimizar as perdas causadas por essa doença é o uso de cultivares resistentes. Alternativamente, pode-se utilizar indutores de resistência para aumentar o nível basal de resistência do trigo à brusone. O presente estudo teve como objetivos: i) determinar as alterações fisiológicas e bioquímicas em plantas de trigo pulverizadas com uma concentração não fitotóxica do ácido α-picolinico (AP), o qual é uma toxina não seletiva produzida por P. oryzae e ii) verificar a manipulação metabólica exercido por P. oryzae quando infectando cultivares de trigo com diferentes níveis de resistência basal à brusone. Nas folhas de trigo pulverizadas com uma concentração não fitotóxica de AP (0.1 mg mL -1 ), os sintomas da brusone desenvolveram menos em associação com um melhor desempenho fotossintético, melhoria do metabolismo antioxidante e redução nas concentrações de H 2 O 2 , O 2 ●- e MDA. As cultivares BR-18 e EMBRAPA- 16 foram mais resistentes à brusone do que a cultivar BRS-Guamirim. O desempenho fotossintético das plantas infectadas foi alterado devido a limitações de natureza difusiva e bioquímica para uma eficiente fixação do CO 2 . Durante a fase assintomática da infecção por P. oryzae, mudanças drásticas no metabolismo de carboidratos e nos níveis de aminoácidos, compostos intermediários do ciclo de Krebs e poliaminas ocorreram nas plantas das três cultivares sugerindo, assim, uma manipulação metabólica exercida por P. oryzae. No entanto, um metabolismo antioxidativo mais eficiente foi importante para neutralizar os efeitos deletérios da infecção por P. oryzae em associação com maiores atividades da fenilalanina amônia liase e polifenoloxidase e maiores concentrações de compostos fenólicos e lignina. Com base nesses resultados e possível concluir que a concentração não fitotóxica de AP foi capaz de potencializar a defesa das plantas de trigo e reduzir a severidade da brusone. A infecção do trigo por P. oryzae ocasionou distúrbios no metabolismo primário das plantas e alguns deles foram semelhantes entre as cultivares independentemente do nível basal de resistência delas.