Physiological Roles of Nickel on Antioxidant and Nitrogen Metabolism Increasing the Yield of Sugarcane Plants

Resumo

A cana‑de‑açúcar (Saccharum officinarum) é uma das principais fontes de açúcar, energia renovável e etanol no mundo. O nitrogênio (N) desempenha uma infinidade de papéis estruturais e funcionais no crescimento e desenvolvimento da cana‑de‑açúcar. O níquel (Ni) é um cofator da enzima urease, atuando no metabolismo do N e no sistema antioxidante das plantas, potencialmente levando a um maior aproveitamento do N absorvido. Este estudo teve como objetivo avaliar a aplicação de Ni no metabolismo do N, no sistema antioxidante e na produtividade de duas cultivares de cana‑de‑açúcar (RB86 7515 e RB96 6928). O experimento foi composto por seis doses de Ni (0; 0,25; 0,5; 1; 3; 9 mg kg⁻¹) e duas cultivares. A aplicação de Ni via solo aumentou a concentração de pigmentos fotossintéticos e as atividades da urease e da nitrato redutase, levando a um metabolismo de N mais eficiente nas plantas de cana‑de‑açúcar. A fertilização com Ni também melhorou o sistema antioxidante, aumentando a atividade da superóxido dismutase, da ascorbato peroxidase e da catalase, aliviando o estresse causado pelas espécies reativas de oxigênio. O aumento dos pigmentos fotossintéticos e dos sistemas antioxidantes levou a uma maior concentração de aminoácidos livres e açúcares totais. O metabolismo de N aprimorado e o maior acúmulo de açúcares foram acompanhados por um aumento na matéria seca de folhas, raízes e colmos, e no número de perfilhos. A dose de 0,5 mg kg⁻¹ de Ni proporcionou maior produtividade nas cultivares de cana‑de‑açúcar. Este estudo apresenta novas e fundamentais perspectivas sobre o efeito do Ni no metabolismo do N e na concentração de açúcares, o que pode ajudar a aumentar a tolerância da cultura a estresses abióticos e, potencialmente, elevar a produtividade da cana‑de‑açúcar em condições de campo.

Abstract

Sugarcane (Saccharum officinarum) is one of the main sources of sugar, energy renewable, and ethanol worldwide. Nitrogen (N) plays a plethora of structural and functional roles on sugarcane growth and development. Nickel (Ni) is a cofactor of urease enzyme, acting in N metabolism and antioxidant system in plants, potentially leading to enhanced use of absorbed N. This study aimed to evaluate Ni application on N metabolism, antioxidant system, and yield of two sugarcane cultivars (RB86 7515 RB96 6928). The experiment was composed by six Ni application rates (0; 0.25; 0.5; 1; 3; 9 mg kg−1) and two sugarcane cultivars. Application of Ni via soil increased photosynthetic pigments concentration, urease, and nitrate reductase activity, leading to an enhanced N metabolism in sugarcane plants. Fertilization with Ni also improved antioxidant system by increasing superoxide dismutase, ascorbate peroxidase, and catalase activity alleviating the stress caused by reactive oxygen species. The increased photosynthetic pigments and antioxidant systems led to a higher concentration of free amino acids and total sugars. The enhanced N metabolism and increased sugar accumulation were followed by an increase in leaf, root, stems dry weights, and tiller number. The application rate of 0.5 mg Ni kg−1 led to a higher yield in sugarcane cultivars. This study presents fundamental new insights regarding Ni effect on N metabolism and sugar concentration that can be helpful to increase the crop tolerance to abiotic stress, and this could potentially lead to increase sugarcane yield under field conditions.