Modulation of Antioxidant Defense Mechanisms and Morpho-Physiological Attributes of Wheat through Exogenous Application of Silicon and Melatonin under Water Deficit Conditions

Resumo

Embora as influências individuais do silício (Si) e da melatonina (MT) tenham sido amplamente estudadas sob diversos estresses abióticos, pouco se sabe sobre sua interação sob estresse hídrico. Neste estudo, foi conduzido um experimento em vasos para investigar o potencial da aplicação foliar, isolada ou combinada, de silício (Si) e melatonina (ML) (controle (ck), pulverização com água, 4,0 mM Si, 200 µM ML e 4,0 mM Si + 200 µM ML) em trigo cultivado em dois níveis de capacidade de retenção de água (80%, condição bem irrigada, e 40%, estresse hídrico), avaliando a produtividade de grãos e algumas características fisiológicas importantes. Sob estresse hídrico, a produtividade de grãos e seus componentes, o teor de água e a eficiência fotossintética do trigo diminuíram significativamente. A aplicação de Si + ML melhorou significativamente os pigmentos foliares (Chl a, Chl b e Chl a + b), o teor relativo de água foliar (TRA), a prolina, os açúcares solúveis totais e a proteína solúvel total. Além disso, as atividades de importantes enzimas antioxidantes, incluindo catalase (CAT), superóxido dismutase (SOD), peroxidase (POD) e ascorbato peroxidase (APX), foram efetivamente aumentadas pela aplicação combinada de Si + ML. Essa melhoria correlacionou-se com uma evidente redução dos níveis de MDA, H2O2 e extravasamento de eletrólitos e com o aumento da eficiência de uso da água. Conclui-se que a combinação de Si + ML aumentou significativamente a produtividade em 20,21% e diversos atributos morfofisiológicos de plantas de trigo sob estresse hídrico, podendo ser recomendada como tratamento promissor para aumentar a produtividade do trigo em regiões afetadas pela seca. Além disso, os resultados podem abrir novas oportunidades de pesquisa em nível transcricional para compreender melhor os mecanismos pelos quais Si + ML interagem com as plantas sob estresse hídrico.

Abstract

Although the individual influences of silicon (Si) and melatonin (MT) have been widely studied under various abiotic stresses, little is known about their interaction under drought stress. In this study, an experiment in pots was carried out to investigate the potential of an individual or combined foliar application of silicon (Si) and melatonin (ML) (control (ck), water spray, 4.0 mM Si, 200 µM ML, and 4.0 mM Si + 200 µM ML) on wheat grown at two different water-holding capacity levels (80% well-water condition and 40% drought stress) in order to check of grain yield and some important physiological characteristics. Under drought stress conditions, grain yield and yield attributes, water content and photosynthetic efficiency of wheat crops were significantly decreased. Application of Si+ ML significantly improved leaf pigments (Chl a, Chl b and Chll a + b), leaf relative water content (RWC), proline, total soluble sugars, and total soluble protein. As well as, the activities of important antioxidant enzymes, including catalase (CAT), superoxide dismutase (SOD), peroxidase (POD) and ascorbate peroxidase (APX) were effectively boosted through the combined application of Si + ML. This improvement was correlated with an obvious decrease in the levels of MDA, H2O2, and electrolyte leakage and increased water use efficiency. Conclusively, the combination of Si + ML significantly enhanced the 20.21% yield and various morpho-physiological attributes of drought-stressed wheat plants and can be recommended as a promising treatment to enhance wheat productivity in drought-affected regions. Additionally, the results of this study may open up a whole new area of research opportunities at the transcriptional level to further understand the mechanisms underlying how Si + ML integrates and interacts with plants under drought stress.