Indole-3-Butyric Acid enhances root formation and alleviates low-temperature stress in sugarcane: Molecular insights and identification of candidate genes

Resumo

A cana-de-açúcar (Saccharum officinarum L.) enfrenta desafios significativos na China, incluindo cultivo intensivo em mão de obra, baixos rendimentos e estresses ambientais. Melhorar o desenvolvimento radicular e a tolerância a estresses por meio de fitormônios e melhoramento molecular é uma abordagem promissora para impulsionar a produtividade. O ácido indol-3-butírico (AIB) é um fitormônio conhecido por promover o desenvolvimento radicular e a resistência a estresses. No entanto, seus efeitos no desenvolvimento radicular da cana-de-açúcar sob baixa temperatura permanecem pouco compreendidos. Este estudo demonstrou que o AIB promoveu marcadamente a iniciação, o alongamento e a biomassa radicular sob baixa temperatura, e aumentou significativamente os níveis de fitormônios, incluindo GA₃, ABA, JA, AIA e ZT, sugerindo a ativação de múltiplas vias de sinalização. A análise do transcriptoma revelou numerosos genes diferencialmente expressos relacionados a vias metabólicas como glicólise, ciclo do ácido tricarboxílico e metabolismo da glutationa. A análise de rede de coexpressão gênica ponderada identificou módulos gênicos centrais correlacionados com as atividades dos fitormônios, destacando seu papel na resposta ao estresse mediada pelo AIB. Onze genes centrais, incluindo GSTU6, FAR1 e BCAT3, e nove genes hub, como Ub-CEP52-1 e ACS1, foram identificados como componentes críticos para o desenvolvimento radicular e a mitigação do estresse induzidos pelo AIB. Esses achados fornecem insights sobre os mecanismos moleculares subjacentes ao desenvolvimento radicular e à tolerância ao estresse induzidos pelo AIB em cana-de-açúcar, oferecendo genes candidatos para o melhoramento de variedades de alto rendimento e tolerantes a estresses e demonstrando o potencial do AIB como estratégia para aumentar a produtividade em condições desafiadoras.

Abstract

Sugarcane (Saccharum officinarum L.) faces significant challenges in China, including labor-intensive cultivation, low yields, and environmental stresses. Enhancing root development and stress tolerance through phytohormones and molecular breeding is a promising approach to boosting productivity. Indole-3-butyric acid is a phytohormone known for promoting root development and stress resistance. However, its effects on sugarcane root development under low temperature remain poorly understood. This study demonstrated that IBA markedly promoted root initiation, elongation, and biomass under low temperature, and significantly increased the levels of phytohormones, including GA3, ABA, JA, IAA, and ZT, suggesting the activation of multiple signaling pathways. Transcriptome analysis revealed numerous differentially expressed genes related to metabolic pathways such as glycolysis, the tricarboxylic acid cycle, and glutathione metabolism. Weighted gene co-expression network analysis identified core gene modules correlated with phytohormone activities, highlighting their role in the IBA-mediated stress response. Eleven core genes, including GSTU6, FAR1, and BCAT3, and nine hub genes, such as Ub-CEP52-1 and ACS1, were identified as critical components for IBA-induced root development and stress mitigation. These findings provide insights into the molecular mechanisms underlying IBA-induced root development and stress tolerance in sugarcane, offering candidate genes for breeding high-yield, stress-tolerant varieties and demonstrating IBA’s potential as a strategy to enhance productivity under challenging conditions.