Toward an understanding of selenium accumulation in rice: a preliminary transcriptomic inquiry of selenium fertilizer forms

Resumo

Contexto: A biofortificação do arroz com selênio (Se) contribui para suprir deficiências de Se na dieta. Embora a adubação com Se seja fundamental, a eficiência e os mecanismos moleculares diferem entre as formas de Se (selenato, nano-Se (SeNPs)) e os métodos de aplicação (solo vs. foliar). Este estudo teve como objetivo comparar os efeitos do selenato e de SeNPs biossintetizadas, aplicados via solo e via foliar, sobre o crescimento do arroz, o acúmulo e a especiação de Se e as respostas transcricionais associadas.
Métodos: Plantas de arroz foram tratadas com selenato ou com SeNPs biossintetizadas por aplicação no solo ou pulverização foliar. Foram analisados biomassa, produtividade, concentração e especiação de Se nos grãos. Foi realizado o perfil transcriptômico de raízes (Se aplicado no solo) e folhas (Se aplicado via foliar), com validação por qPCR e WGCNA.
Resultados: Ambos os métodos de aplicação aumentaram a biomassa e a produtividade. A pulverização foliar foi mais eficiente para o enriquecimento de Se nos grãos, aumentando sua concentração em 28,13 vezes (selenato) e 89,87 vezes (SeNPs), contra 7,83–9,87 vezes na aplicação no solo. A selenometionina foi a espécie de Se predominante nos grãos. A transcriptômica revelou que o selenato induziu genes de transportadores de sulfato e relacionados ao xilema nas raízes, enquanto as SeNPs aumentaram a expressão de genes de aquaporinas e de assimilação de enxofre. As SeNPs foliares ativaram a expressão de genes relacionados aos estômatos e às aquaporinas. Ambas as formas influenciaram o metabolismo de enxofre/nitrogênio, e as SeNPs modularam adicionalmente as vias de ácidos orgânicos e aminoácidos. A WGCNA identificou módulos de coexpressão correlacionados com o teor de Se nos grãos e a proporção de selenometionina, enriquecidos em fatores de transcrição (MYB, WRKY, bHLH) e transportadores ABC.
Conclusões: A aplicação foliar, especialmente de SeNPs, é altamente eficaz para a biofortificação do arroz com Se, associada a vias moleculares distintas de absorção e assimilação. Esses resultados fornecem subsídios para otimizar as estratégias de adubação com Se visando aumentar seu suprimento na dieta.

Abstract

Background: Selenium (Se) biofortification in rice addresses dietary Se deficiencies. While Se fertilization is key, the efficiency and molecular mechanisms differ among Se forms (selenate, nano-Se (SeNPs)) and application methods (soil vs. foliar). This study aimed to compare the effects of selenate and biosynthesized SeNPs, applied via soil and foliar methods, on rice growth, Se accumulation, speciation, and the associated transcriptional responses.
Methods: Rice plants were treated with selenate or biosynthesized SeNPs via soil application or foliar spraying. Biomass, yield, grain Se concentration and speciation were analyzed. Transcriptomic profiling of roots (soil-applied Se) and leaves (foliar-applied Se) was performed, with validation by qPCR and WGCNA.
Results: Both application methods enhanced biomass and yield. Foliar spraying was more efficient for grain Se enrichment, increasing Se concentration by 28.13-fold (selenate) and 89.87-fold (SeNPs), versus 7.83–9.87-fold for soil application. Selenomethionine was the predominant Se species in grains. Transcriptomics revealed selenate upregulated sulfate transporter and xylem-related genes in roots, whereas SeNPs enhanced aquaporin and sulfur assimilation gene expression. Foliar SeNPs triggered stomatal and aquaporin-related gene expression. Both forms influenced sulfur/nitrogen metabolism, with SeNPs additionally modulating organic acid and amino acid pathways. WGCNA identified co-expression modules correlated with grain Se content and selenomethionine proportion, enriched in transcription factors (MYB, WRKY, bHLH) and ABC transporters.
Conclusions: Foliar application, particularly of SeNPs, is highly effective for Se biofortification in rice, associated with distinct molecular uptake and assimilation pathways. These findings provide insights for optimizing Se fertilization strategies to enhance dietary Se supply.