Kappaphycus alvarezii sap mitigates abiotic-induced stress in Triticum durum by modulating metabolic coordination and improves growth and yield

Resumo

A seiva Kappaphycus alvarezii (K-sap) facilita o crescimento das plantas em ambientes estressantes, regulando os componentes de sinalização de estresse do sistema vegetal. No presente estudo, o efeito da seiva K em três variedades de trigo duro, comercialmente importantes para massas e sêmolas, é estudado em resposta ao estresse salino e hídrico durante as fases de crescimento vegetativo e reprodutivo. A aplicação do K-sap contribuiu para a melhoria dos parâmetros morfológicos, fisiobioquímicos e da expressão gênica facilitando melhor crescimento e produtividade. Sob estresse salino, as plantas tratadas com seiva de K mantiveram menor relação Na+/K+ e maior teor de Ca2+. Durante o estresse, o K-sap reduziu os danos à membrana celular, mantendo maior teor de água nos tecidos, reduziu o vazamento de eletrólitos e reduziu o conteúdo de malondialdeído. Espécies reativas de oxigênio, teores de superóxido e peróxido também foram significativamente reduzidos no tratamento com K-sap. Osmoprotetores como proteínas totais, prolina, aminoácidos e açúcares solúveis aumentaram com a aplicação de K-sap tanto com quanto sem estresse. Os fitohormônios ácido abscísico, citocinina e auxina foram significativamente regulados pela aplicação de K-sap. A análise qPCR mostrou expressão aumentada de MAP quinase de trigo responsiva ao estresse, fator de transcrição WRKY e genes antioxidantes com tratamento K-sap durante o estresse. A aplicação de K-sap melhorou significativamente o rendimento, aumentando o número de espigas e grãos. Aqui, relatamos pela primeira vez o estudo integrativo de componentes metabólicos coordenados por genes e hormônios para revelar o mecanismo da seiva K no trigo duro para melhorar o rendimento e a tolerância ao estresse.
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Abstract

Kappaphycus alvarezii sap (K-sap) facilitates plant growth in stressful environments by regulating the stress signalling components of the plant system. In the present study, the effect of K-sap on three durum wheat varieties, commercially important for pasta and semolina is studied in response to salt and drought stress during both vegetative and reproductive growth phases. The application of K-sap contributed to the improvement of the morphological, physio-biochemical parameters and gene expression facilitating improved growth and yield. Under salt stress, K-sap-treated plants maintained lower Na⁺/K⁺ ratio and higher Ca²⁺ content. During stress, K-sap reduced cell membrane damage by maintaining higher tissue water content, reduced electrolyte leakage and reduced malondialdehyde contents. Reactive oxygen species, superoxide and peroxide contents were also significantly reduced on K-sap treatment. Osmoprotectants such as total proteins, proline, amino acids and soluble sugars increased with K-sap application both with and without stress. The phytohormones abscisic acid, cytokinin and auxin were significantly regulated by K-sap application. qPCR analysis showed enhanced expression of stress-responsive wheat MAP kinase, WRKY transcription factor and antioxidative genes with K-sap treatment during stress. The application of K-sap significantly improved yield by increasing number of spikes and grains. Here, we report for the first time the integrative study of metabolic components coordinated by genes and hormones to reveal the mechanism of K-sap in durum wheat for improving yield and stress tolerance.