Silicon Regulates Potential Genes Involved in Major Physiological Processes in Plants to Combat Stress

Resumo

O silício (Si), um elemento quase essencial, ocorre como o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre. A importância biológica do Si no reino vegetal tornou-se inevitável, especialmente sob condições de estresse. Em geral, as plantas são classificadas como acumuladoras altas, médias e baixas de silício, com base na capacidade das raízes de absorver Si. A absorção de Si influencia diretamente os efeitos positivos atribuídos à planta, mas a suplementação com Si demonstra mitigar o estresse e recuperar o crescimento das plantas, mesmo em plantas de baixa acumulação, como o tomate. A aplicação de Si em sistemas de cultivo com solo e sem solo resultou no aumento das características quantitativas e qualitativas das plantas, mesmo sob condições de estresse. O silício possui vários mecanismos para regular o metabolismo fisiológico, bioquímico e antioxidante nas plantas, a fim de combater estresses abióticos e bióticos. No entanto, há muito poucos relatos sobre o aspecto da regulação molecular mediada por Si de genes com papel potencial na tolerância ao estresse. Os avanços recentes na era da genômica e transcriptômica abriram um caminho para a determinação da base molecular associada à emenda de Si para o alívio do estresse em plantas. Portanto, o presente esforço tentou descrever as descobertas recentes relacionadas à regulação de genes vitais envolvidos na fotossíntese, regulação da transcrição, defesa, transporte de água, síntese de poliaminas e genes de manutenção durante o alívio do estresse abiótico e biótico pelo Si. Além disso, uma visão geral da modulação mediada por Si de múltiplos genes envolvidos em vias de resposta ao estresse, como a via dos fenilpropanoides, a via do ácido jasmônico e a via regulatória dependente ou independente de ABA, foi discutida nesta revisão.

Abstract

Silicon (Si), the quasi-essential element occurs as the second most abundant element in the earth’s crust. Biological importance of Si in plant kingdom has become inevitable particularly under stressed environment. In general, plants are classified as high, medium, and low silicon accumulators based on the ability of roots to absorb Si. The uptake of Si directly influence the positive effects attributed to the plant but Si supplementation proves to mitigate stress and recover plant growth even in low accumulating plants like tomato. The application of Si in soil as well as soil-less cultivation systems have resulted in the enhancement of quantitative and qualitative traits of plants even under stressed environment. Silicon possesses several mechanisms to regulate the physiological, biochemical, and antioxidant metabolism in plants to combat abiotic and biotic stresses. Nevertheless, very few reports are available on the aspect of Si-mediated molecular regulation of genes with potential role in stress tolerance. The recent advancements in the era of genomics and transcriptomics have opened an avenue for the determination of molecular rationale associated with the Si amendment to the stress alleviation in plants. Therefore, the present endeavor has attempted to describe the recent discoveries related to the regulation of vital genes involved in photosynthesis, transcription regulation, defense, water transport, polyamine synthesis, and housekeeping genes during abiotic and biotic stress alleviation by Si. Furthermore, an overview of Si-mediated modulation of multiple genes involved in stress response pathways such as phenylpropanoid pathway, jasmonic acid pathway, ABA-dependent or independent regulatory pathway have been discussed in this review.