Nanofertilizers and plant metabolites: Investigating their influence on trophic interactions in the cucumber-melon aphid-green lacewing

Resumo

O papel dos fertilizantes em aumentar o conteúdo nutricional e tornar as plantas hospedeiras mais atraentes para herbívoros tem sido repetidamente comprovado. Este estudo investigou o efeito da aplicação de três níveis de fertilizante nanoquelatado (fertilizante específico para hortaliças e culturas de verão) (2, 3 e 4 kg/ha) nos níveis de malondialdeído (MDA), e fenilalanina amônia-liase (FAL), peroxidase (POD), polifenol oxidase (PPO), catalase (CAT), ácido ascórbico (AA), flavonoides e compostos fenólicos em plantas de pepino (Cucumis sativus L.). Adicionalmente, a pesquisa pesquisou a influência da fertilização e dos compostos metabólitos do pepino na história de vida de Aphis gossypii (Glover) (Hemiptera: Aphididae) e Chrysoperla carnea (Stephens) (Neuroptera: Chrysopidae) em um contexto tritrófico. A análise do conteúdo da planta hospedeira mostrou que o estresse biótico resultante da infestação de pulgões em plantas de pepino aumentou a atividade de POD, PPO, CAT e os teores de MDA. No entanto, diminuiu a atividade da FAL, flavonoides e teores de fenol no tratamento controle e nos níveis de 2, 3 e 4 kg/ha de fertilizante nanoquelatado. Além disso, a fertilização da planta aumentou as taxas de crescimento populacional do herbívoro e diminuiu as taxas de crescimento populacional do predador, afetando os conteúdos nutricionais e a qualidade da planta hospedeira. Consequentemente, a taxa intrínseca de aumento do pulgão (r) variou de 0,319 a 0,365 dia⁻¹. Enquanto a taxa finita de aumento (λ) foi estimada como 1,376 a 1,441 dia⁻¹ no controle para o tratamento com fertilizante nanoquelatado de 2 kg/ha. Além disso, a taxa intrínseca de aumento de C. carnea foi de 0,116 a 0,131 e a taxa finita de aumento foi de 1,123 a 1,139 dia⁻¹ nos tratamentos com fertilizante nanoquelatado de 2 kg/ha e controle, respectivamente. Os valores máximo e mínimo da taxa reprodutiva líquida (R0) do pulgão foram registrados nos tratamentos com fertilizante nanoquelatado de 3 kg/ha e controle como 46,34 e 37,18 descendentes, respectivamente, enquanto esses valores variaram de 145,51 em 2 kg/ha a 196,93 descendentes em regimes de 4 kg/ha para o crisopídeo. Notavelmente, a utilização de 2, 3 e 4 kg/ha de fertilizante nanoquelatado promove compostos metabólitos defensivos do pepino, como FAL, POD, CAT, flavonoides e AA, e induz a resistência da planta aos pulgões-dos-melões diretamente. Pode-se concluir que a utilização de fertilizante nanoquelatado potencialmente pode aumentar a resistência da planta de pepino a A. gossypii melhorando os compostos metabólitos antioxidantes, e ser uma parte efetiva dos programas de manejo integrado de pragas.

Abstract

The role of fertilizers in increasing nutritional content and making host plants more attractive to herbivores has been repeatedly proved. This study investigated the effect of applying three levels of nano-chelated fertilizer (vegetables and summer crops specific fertilizer) (2, 3, and 4 kg/ha) on the levels of malondialdehyde (MDA), and phenylalanine ammonia-lyase (PAL), peroxidase (POD), polyphenol oxidase (PPO), catalase (CAT), ascorbic acid (ASA), flavonoid, and phenolic compounds in cucumber plant (Cucumis sativus L.). Additionally, the research surveyed the influence of fertilization and cucumber metabolite compounds on the life history of Aphis gossypii (Glover) (Hemiptera: Aphididae) and Chrysoperla carnea (Stephens) (Neuroptera: Chrysopidae) in a tri-trophic context. Host plant content analysis showed that biotic stress resulting from the aphid infestation in cucumber plants increased the POD, PPO, CAT activity, and MDA contents. However, it decreased PAL activity, flavonoid, and phenol contents in the control treatment and 2, 3, and 4 kg/ha of nano-chelated fertilizer levels. Moreover, plant fertilization increased the herbivore population growth rates and decreased the predator population growth rates by affecting the nutritional contents and quality of the host plant. Accordingly, the aphid’s intrinsic rate of increase (r) was ranged from 0.319 to 0.365 day−1. While finite rate of increase (λ) was estimated as 1.376 to 1.441 day−1 on control to 2 kg/ha nano-chelated fertilizer treatment. In addition, the intrinsic rate of increase of C. carnea was 0.116 to 0.131 and the finite rate of increase was 1.123 to 1.139 day−1 on 2 kg/ha nano-chelated fertilizer and control treatments, respectively. The maximum and minimum net reproductive rate (R0) values of the aphid were recorded on 3 kg/ha nano-chelated fertilizer and control treatments as 46.34 and 37.18 offsprings, respectively, whilst these values ranged from 145.51 on 2 kg/ha to 196.93 offsprings on 4 kg/ha regimes for the green lacewing. Notably, the utilization of 2, 3, and 4 kg/ha of nano-chelated fertilizer promotes cucumber defensive metabolites compounds such as PAL, POD, CAT, flavonoid, and ASA and induces the plant’s resistance to melon aphids directly. It can be concluded that the utilization of nano-chelated fertilizer potentially can enhance cucumber plant resistance to A. gossypii by improving the antioxidant metabolite compounds, and be an effective part of integrated pest management programs.