Interactive effects of Magnaporthe inoculation and nitrogen doses on the plant enzyme machinery and phyllosphere microbiome of resistant and susceptible rice cultivars

Resumo

A gravidade das doenças das plantas é frequentemente influenciada pela disponibilidade de nutrientes, particularmente o nitrogênio (N); no entanto, seu efeito sobre o microbioma da filosfera em plantas com patógenos foliares é menos investigado no arroz. Foi investigada a interação tripartida entre o fungo patógeno (Magnaporthe oryzae), cultivares de arroz (basmati e não basmati, resistentes ou suscetíveis à brusone) e adubação com nitrogênio (N) (0, 120 e 180 N). O crescimento da planta, a elicitação das respostas de defesa e a abundância de membros microbianos na filosfera de arroz foram monitorados usando métodos bioquímicos e moleculares. Em geral, os pigmentos fotossintéticos foram distintos para cada cultivar e as doses ótimas de N levaram a valores mais altos. Os culitavares suscetível var.CO-39 e o resistente CO-39I  apresentaram maiores teores de pigmentos fotossintéticos e micronutrientes como zinco nas folhas em resposta a doses de N. A elicitação das enzimas de defesa e hidrólitica foi significativamente influenciada pela inoculação do patógeno e modulada pelas doses de N, mas os efeitos varietais foram distintos. Os índices de pontuação enfatizaram a suscetibilidade aos patógenos dos cultivarres var.CO-39 e PB-1, que apresentaram valores quase 40-60% maiores do que as cultivares resistentes; as interações de cultivares e doses de N também foram significativas. Alterações características foram registradas nas abundâncias das cópias gênicas, particularmente, com um aumento geral no número de cianobactérias 16S rRNA e bacterianas amoA em tratamentos desafiados por patógenos, enquanto que as cópias do gene nifH apresentaram uma tendência de redução com o aumento das doses de N, na presença ou ausência do patógeno. As diferenças varietais nas relações de causa e efeito podem ser valiosas na proteção das culturas para uma aplicação foliar mais eficaz de pesticidas ou agentes de biocontrole.

Abstract

Severity of plant diseases is often influenced by the availability of nutrients, particularly N; however, its effect on the phyllosphere microbiome in foliar pathogen challenged plants is less investigated in rice. The tripartite interaction among the fungal pathogen (Magnaporthe oryzae), rice cultivars (basmati and non-basmati, blast resistant or susceptible) and nitrogen (N) fertilization (0, 120 and 180 N) was investigated. Plant growth, elicitation of defense responses and abundance of microbial members in the rice phyllosphere were monitored using biochemical and molecular methods. In general, photosynthetic pigments were distinct for each cultivar, and optimal N doses led to higher values. The susceptible var. CO-39 and resistant CO-39I exhibited higher contents of photosynthetic pigments and micronutrients such as zinc in leaves in response to N doses. Elicitation of defense and hydrolytic enzymes was significantly influenced by pathogen inoculation and modulated by N doses, but varietal effects were distinct. Scoring indices emphasized the pathogen susceptibility of var. CO-39 and PB-1, which showed almost 40–60% higher values than the resistant cultivars; the interactions of cultivars and N doses was also significant. Characteristic changes were recorded in the abundances of the gene copies, particularly, with an overall increase in the number of cyanobacterial 16S rRNA, and bacterial amoA in pathogen-challenged treatments, while nifH gene copies exhibited a reducing trend with increasing N doses, in the presence or absence of pathogen. The varietal differences in the cause and effect relationships can be valuable in crop protection for more effective foliar application of pesticides or biocontrol agents.