Exogenous Melatonin Modulates Physiological Response to Nitrogen and Improves Yield in Nitrogen-Deficient Soybean (Glycine max L. Merr.)

Resumo

A melatonina (MT) é um regulador de crescimento vegetal chave. Para investigar seu efeito em diferentes estágios de crescimento sobre o rendimento da soja sob deficiência de nitrogênio, 100 μM de MT foram aplicados à soja suplementada com níveis zero de nitrogênio (0N), baixo nitrogênio (LN) e controle de nitrogênio (CK), durante os estágios de crescimento vegetativo (V3) e de enchimento de grãos (R5). Este estudo revelou que a aplicação de MT aumentou principalmente a fixação de nitrogênio das plantas ao aumentar o número de nódulos radiculares e fornecer mais substratos para a glutamina sintetase (GS) sob suprimento de 0N. No entanto, sob suprimento de LN, mais amônio foi assimilado através da promoção direta da atividade da nitrato redutase (NR) pela MT. A MT aumentou a atividade de enzimas relacionadas à assimilação de amônio, como GOGAT e GDH, e a expressão de seus genes codificadores, promoveu a síntese de clorofila e aminoácidos, e aumentou a capacidade fotossintética sob deficiência de nitrogênio. A MT exógena regulou positivamente a expressão de genes envolvidos no sistema fotossintético e estimulou o acúmulo de matéria seca. Assim, a MT aliviou o efeito inibitório da deficiência de nitrogênio sobre o rendimento da soja. Esse efeito de mitigação foi melhor quando a MT foi aplicada no estágio V3, e o peso de sementes por planta aumentou 16,69% e 12,20% nos níveis 0N e LN, respectivamente. Os resultados deste estudo fornecem uma nova base teórica para aplicar a MT na agricultura para melhorar a resiliência das plantas de soja à baixa disponibilidade de nitrogênio.

Abstract

Melatonin (MT) is a key plant growth regulator. To investigate its effect at different growth stages on the yield of soybean under nitrogen deficiency, 100 μM MT was applied to soybean supplemented with zero nitrogen (0N), low nitrogen (LN), and control nitrogen (CK) levels, during the plant vegetative growth (V3) and filling (R5) stages. This study revealed that the application of MT mainly enhanced the nitrogen fixation of plants by increasing the root nodule number and provided more substrates for glutamine synthetase (GS) under 0N supply. However, under the LN supply, more ammonium was assimilated through the direct promotion of nitrate reductase (NR) activity by MT. MT enhanced the activity of ammonium-assimilation-related enzymes, such as GOGAT and GDH, and the expression of their coding genes, promoted the synthesis of chlorophyll and amino acids, and increased the photosynthetic capacity under nitrogen deficiency. Exogenous MT directly upregulated the expression of genes involved in the photosynthetic system and stimulated dry-matter accumulation. Thus, MT alleviated the inhibitory effect of nitrogen deficiency on soybean yield. This mitigation effect was better when MT was applied at the V3 stage, and the seed weight per plant increased by 16.69 and 12.20% at 0N and LN levels, respectively. The results of this study provide a new theoretical basis to apply MT in agriculture to improve the resilience of soybean plants to low nitrogen availability.