Brassica napus growth is promoted by Ascophyllum nodosum (L.) Le Jol. seaweed extract: microarray analysis and physiological characterization of N, C, and S metabolisms

Resumo

Apesar de sua alta capacidade de absorção de nitrato do solo, a colza de inverno (Brassica napus) é caracterizada por uma baixa recuperação de N nas sementes. Assim, para manter o rendimento, a colza requer uma alta taxa de fertilização. O aumento da eficiência do uso de nutrientes na colza pela adição de um bioestimulante pode ajudar a melhorar seu equilíbrio agroambiental. Os efeitos da alga marrom marinha Ascophyllum nodosum no crescimento vegetal foram bem descritos fisiologicamente. No entanto, até onde sabemos, nenhum estudo se concentrou em análises transcriptômicas para determinar os alvos metabólicos desses extratos. Uma triagem preliminar de diferentes extratos revelou um efeito significativo de um deles (AZAL5) no crescimento da raiz da colza (+102%) e parte aérea (+23%). A análise de microarranjo foi então usada em plantas tratadas ou não tratadas com AZAL5 para caracterizar mudanças na expressão gênica que foram posteriormente apoiadas por evidências fisiológicas. A estimulação da absorção de nitrogênio (+21 e +115% na parte aérea e raízes, respectivamente) e a assimilação foi aumentada de maneira semelhante ao crescimento, enquanto o teor de sulfato (+63 e +133% na parte aérea e raízes, respectivamente) foi mais fortemente estimulado levando ao acúmulo de sulfato. Entre os genes identificados cuja expressão foi afetada por AZAL5, MinE, um regulador da divisão plastidial, foi o mais fortemente afetado. Seu efeito foi apoiado por análises microscópicas mostrando um aumento no número de cloroplastos por célula e teor de amido, mas sem uma diferença significativa na taxa fotossintética líquida. Em conclusão, sugere-se que o AZAL5, que promove o crescimento da planta e a absorção de nutrientes, pode ser usado como uma ferramenta complementar para melhorar o equilíbrio agroambiental da colza.

Abstract

Despite its high capacity to take up nitrate from soil, winter rapeseed (Brassica napus) is characterized by a low N recovery in seeds. Thus, to maintain yield, rapeseed requires a high fertilization rate. Increasing nutrient use efficiency in rapeseed by addition of a biostimulant could help improve its agroenvironmental balance. The effects of marine brown seaweed Ascophyllum nodosum on plant growth have been well described physiologically. However, to our knowledge, no study has focused on transcriptomic analyses to determine metabolic targets of these extracts. A preliminary screening of different extracts revealed a significant effect of one of them (AZAL5) on rapeseed root (+102 %) and shoot (+23 %) growth. Microarray analysis was then used on AZAL5-treated or nontreated plants to characterize changes in gene expression that were further supported by physiological evidence. Stimulation of nitrogen uptake (+21 and +115 % in shoots and roots, respectively) and assimilation was increased in a similar manner to growth, whereas sulfate content (+63 and +133 % in shoots and roots, respectively) was more strongly stimulated leading to sulfate accumulation. Among the identified genes whose expression was affected by AZAL5, MinE, a plastid division regulator, was the most strongly affected. Its effect was supported by microscopic analysis showing an enhancement of chloroplast number per cell and starch content but without a significant difference in net photosynthetic rate. In conclusion, it is suggested that AZAL5, which promotes plant growth and nutrient uptake, could be used as a supplementary tool to improve rapeseed agroenvironmental balance.