Chitosan Modified Biochar Increases Soybean ( Glycine max L.) Resistance to Salt-Stress by Augmenting Root Morphology, Antioxidant Defense Mechanisms and the Expression of Stress-Responsive Genes

Resumo

A soja é uma importante oleaginosa que fornece proteína e óleo vegetal de alta qualidade. A salinidade constitui um fator abiótico negativo que reduz o crescimento, a produção e a qualidade da soja. A adsorção de Na ⁺por biochar modificado por quitosana (CMB) tem um efeito significativo na salinidade, mas a aplicação de CMB é limitada na soja. No presente estudo, o CMB foi utilizado para caracterização das respostas fisiológicas, bioquímicas e moleculares da soja sob estresse salino. A comparação de CMB e biochar não modificado (como está) (BR) demonstrou uma diferença significativa entre eles, mostrada pelo uso de espectroscopia infravermelha por transformada de Fourier (FTIR), microscopia eletrônica de varredura (SEM), Brunauer-Emmett-Teller (BET), análise elementar e medição do potencial z. Pseudo-primeira e segunda ordem mais adequados para a análise de Na ⁺cinética de adsorção. O estresse salino reduziu o crescimento das plantas de soja, as características da arquitetura radicular, rendimento de biomassa, aquisição de nutrientes, teores de clorofila, proteína solúvel e açúcares, enquanto o CMB com estresse salino aumentou significativamente os parâmetros acima. Além disso, o CMB também reduziu o aumento induzido pela salinidade nos níveis de Na ⁺ , glicina betaína (GB), prolina, peróxido de hidrogênio (H ₂ O ₂ ) e malondialdeído (MDA) nas plantas. A atividade antioxidante e os níveis de expressão gênica desencadeados pela salinidade , mas com a aplicação de CMB aumentaram significativamente ainda mais o perfil de expressão de quatro genes ( CAT , APX , POD e SOD) que codifica a enzima antioxidante e dois genes que conferem tolerância ao sal ( GmSALT3 e CHS ). No geral, essas descobertas demonstram o papel crucial do CMB na minimização dos efeitos adversos da alta salinidade no crescimento da soja e na eficiência dos mecanismos que permitem a proteção da planta contra a salinidade por meio de uma mudança na arquitetura do sistema radicular e no aprimoramento dos sistemas de defesa antioxidante e do estresse. genes responsivos para alcançar a produção agrícola sustentável.

Abstract

Soybean is an important oilseed crop that provides high-quality protein and vegetable oil. Salinity constitutes a negative abiotic factor that reduces soybean plant growth, production, and quality. The adsorption of Na⁺ by chitosan-modified biochar (CMB) has a significant effect on salinity but the application of CMB is limited in soybean. In the current study, CMB was used for characterization of physiological, biochemical, and molecular responses of soybean under salt stress. Comparison of CMB and unmodified (as-is) biochar (BR) demonstrated a significant difference between them shown by using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), scan electron microscopy (SEM), Brunauer-Emmett-Teller (BET), elemental analysis and z-potential measurement. Pseudo-first and second-order better suited for the analysis of Na⁺ adsorption kinetics. The salt-stress reduced the soybean plants growth, root architecture characteristics, biomass yield, nutrients acquisition, chlorophyll contents, soluble protein, and sugar contents, while CMB with salt-stress significantly increased the above parameters. Moreover, CMB also reduced the salinity-induced increase in the Na⁺, glycine betaine (GB), proline, hydrogen peroxide (H₂O₂), and malondialdehyde (MDA) levels in plants. The antioxidant activity and gene expression levels triggered by salinity but with the application of CMB significantly further boosted the expression profile of four genes (CAT, APX, POD and SOD) encoding antioxidant enzyme and two salt-tolerant conferring genes (GmSALT3 and CHS). Overall, these findings demonstrate the crucial role of CMB in minimizing the adverse effects of high salinity on soybean growth and efficiency of the mechanisms enabling plant protection from salinity through a shift of the architecture of the root system and enhancing the antioxidant defense systems and stress-responsive genes for achieving sustainable crop production.