Drought alleviatory potential of Kappaphycus seaweed extract and the role of the quaternary ammonium compounds as its constituents towards imparting drought tolerance in Zea mays L.

Resumo

A utilização do extrato de algas Kappaphycus (EAK) tem sido documentada para aumentar o rendimento de várias culturas em condições normais. A detecção dos compostos quaternários amônio (QACs, siglas en inglés) glicina betaína e cloreto de colina (GBCh, siglas en inglés) na EAK nos motivou a examinar seu impacto no crescimento e na produtividade no contexto das condições de déficit de umidade do solo. Outro objetivo era esclarecer em que medida os QAC contribuem para a mitigação do estresse por seca, se é que contribuem. Assim, foi realizado um experimento fatorial em plantas de milho, onde cinco tratamentos foliares (EAK a 10 e 15%; GBCh em concentração equivalente à encontrada em 10 e 15% EAK, respectivamente, designada como 10 e 15% Eq-GBCh; e controle de pulverização de água) foram submetidos a três níveis de estresse de umidade do solo (bem irrigado, WW; moderadamente estressado, MS; e severamente estressado, SS). Foram observados os parâmetros de crescimento e rendimento, pigmentos, atributos fotossintéticos, enzimas antioxidantes e a qualidade dos grãos. Os resultados demonstraram que o EAK tem a capacidade de mitigar o estresse por umidade do solo, sendo uma concentração de 10% de EAK foi encontrada para ser eficaz em impulsionar o rendimento de sementes sob condições de WW e MS, enquanto a concentração de 15% foi considerada ótima sob condições SS. Os aumentos percentuais na produtividade de sementes sobre seus respectivos controles nas condições WW, MS e SS nas concentrações ótimas de EAK foram de 13,5, 21,7 e 36,4%, respectivamente, indicando maior resposta da produtividade de grãos aos tratamentos EAK em níveis de estresse mais elevados. A vantagem de rendimento sob estresse pode ser atribuída ao dano mínimo do fotossistema em plantas tratadas com EAK, como evidenciado pelo maior teor de pigmentos, taxa fotossintética, fotoinibição reduzida e peroxidação lipídica por maior proteção contra espécies reativas de oxigênio. O teor de proteína nos grãos foi potencializado pela aplicação de EAK sob todos os grupos de estresse em relação aos seus respectivos controles. Embora o papel predominante de GBCh em EAK para a mitigação da seca e a resposta de rendimento fosse aparente, os resultados igualmente sugeriram a participação de outros componentes no EAK que trabalham junto com o GBCh, justificando que deve ser investigado mais.

Abstract

Kappaphycus seaweed extract (KSWE) has been reported to enhance the yield of several crops under normal conditions. The detection of the quaternary ammonium compounds (QACs) glycine betaine and choline chloride (GBCh) in KSWE impelled us to explore its efficacy on growth and yield under soil moisture deficit conditions. Another objective was to elucidate the extent to which the QACs have a role in mitigating drought stress, if at all. Thus, a factorial experiment was carried out on maize plants, wherein five foliar treatments (KSWE at 10 and 15%; GBCh at equivalent concentration to that found in 10 and 15% KSWE, respectively, designated as 10 and 15% Eq-GBCh; and water spray control) were subjected to three soil moisture stress levels (well-watered, WW; moderately stressed, MS; and severely stressed, SS). Observations were recorded for growth and yield parameters, pigments, photosynthetic attributes, antioxidant enzymes, and quality of grains. The results revealed the ability of KSWE to alleviate soil moisture stress, 10% KSWE being effective in increasing the seed yield under WW and MS conditions while 15% being optimal under SS condition. The percent increases in seed yield over their respective controls under WW, MS, and SS conditions at the optimal KSWE concentrations were 13.5, 21.7, and 36.4%, respectively, indicating higher grain yield response to KSWE treatments at higher stress levels. The yield advantage under stress could be attributed to minimal damage of photosystem in KSWE-treated plants as evidenced by higher pigment content, photosynthetic rate, reduced photoinhibition, and lipid peroxidation by enhanced protection against reactive oxygen species. The protein content in grains was enhanced by KSWE application under all stress groups compared to their respective controls. Although the predominant role of GBCh in KSWE towards drought mitigation and yield response was apparent, the results also connoted towards the role of other constituents in KSWE acting in unison along with GBCh, which should be investigated further.