Molecular and physiological insights into the role played by boron in the soybean- Phakopsora pachyrhizi interaction

Abstract

Considering the potential of Asian Soybean Rust (ASR), caused by the fungus Phakopsora pachyrhizi, to reduce soybean yield, this study investigated the effect of boron (B) on soybean resistance against ASR. The photosynthetic performance (chlorophyll a fluorescence and concentration of photosynthetic pigments), the concentration of total soluble phenolics compounds (TSP) and lignin-thioglycolic acid (LTGA) derivatives as well as the expression of defense- and B-related genes were analyzed. The supply of B to plants grown hydroponically with nutrient solutions containing 0.25 or 1.0 mM B did not show reduction in ASR severity. Confirming this result, the expression of TEF1 gene (translation elongation factor 1α of P. pachyrhizi) increased regardless of B rates. Additionally, higher B foliar concentration occurred for inoculated plants supplied with 1.0 mM B. The photosynthetic process was impaired during the infection process of P. pachyrhizi regardless of B rates. The TSP concentration was significantly high at 15 dai for non-inoculated plants supplied with 1.0 mM B in contrast to non-inoculated plants receiving 0.25 mM B. The LTGA derivatives concentration was higher for inoculated plants regardless of B supply. Defense-related genes were up-regulated in inoculated plants, regardless of B supply. Genes encoding for nitrate and nitrite reductase were more expressed at ideal B rate at 10 and 15 dai, and at high B rate at 3 and 5 dai, for inoculated plants. Genes encoding for rhamnogalacturonan II were more expressed at ideal B rate at 15 dai, and at high B rate at 10 dai, for non-inoculated plants. There was no changes in the expression of the genes coding for phenylalanine ammonia-lyase (PAL2.1) as well as isochorismate synthase (ICS1 and ICS2) regardless of B rates and P. pachyrhizi infection. In conclusion, the supply of high B rate to soybean plants did not result in an increase in their resistance against ASR independently of B supply. Keywords: Asian soybean rust. Photosynthesis. Plant nutrition. Host defense responses.

Considerando o potencial da ferrugem asiática da soja (FAS), causada pelo fungo Phakopsora pachyrhizi, em reduzir a produção da soja, este trabalho objetivou determinar o efeito do boro (B) na resistência dessa cultura. Foram analisadas a performance fotossintética (fluorescência da clorofila a e concentração de pigmentos fotossintéticos), a concentração de compostos fenólicos solúveis totais (CFST) e lignina, além da expressão de genes relacionados à defesa e ao metabolismo do boro. As duas doses de B (0.25 mM e 1.0 mM) não reduziram a severidade da FAS em folhas de soja. Confirmando esse resultado, a expressão de TEF1 (fator de elongação 1α de P. pachyrhizi) aumentou, sem influência do B. Maiores concentrações foliares de B foram observadas em plantas inoculadas supridas com alta dose do micronutriente. O processo fotossintético foi prejudicado devido aos efeitos negativos decorrentes da infecção, porém sem diferenças significativas entre os tratamentos de B. A concentração de CFST não diferiu estre as plantas tratadas com diferentes concentrações de B, exceto aos 15 dias após a inoculação (dai), onde plantas não inoculadas do tratamento 1.0 mM de B apresentaram maior concentração em comparação com plantas não inoculadas do tratamento 0.25 mM de B. Maiores concentrações de lignina foram observadas em plantas inoculadas, independente das doses de B. Genes de defesa foram mais expressos em plantas inoculadas, independente da dose de B. Genes que codificam para nitrato e nitrito redutase foram mais expressos em 10 e 15 dai (0.25 mM de B) e em 3 e 5 dai (1.0 mM de B). Genes que codificam para ramnogalacturonano II foram mais expressos em 15 dai (0.25 mM de B) e 10 dai (1.0 mM de B) em plantas não inoculadas. Não ocorreu diferença estatística na expressão dos genes que codificam para fenilalanina amônia-liase (PAL2.1) e isocorismato sintase (ICS1 e ICS2), independente de B e P. pachyrhizi. Baseado nos resultados encontrados neste estudo, a dose de B acima da ideal (1.0 mM) aplicada em plantas sob estresse, não apresentaram efeitos aditivos na potencialização da resistência da soja à FAS. Palavras-chave: Ferrugem asiática da soja. Fotossíntese. Nutrição de plantas. Mecanismos de defesa da planta.