Lignin metabolism plays an essential role in the formation of corky split vein caused by boron deficiency in ‘Newhall’ navel orange (Citrus sinensis Osb.)

Resumo

O boro (B) é um nutriente essencial para o desenvolvimento das plantas, e sua deficiência tem sido frequentemente observada em muitas culturas. A nervura espessa e rachada (CSV, do inglês corky split vein) é um sintoma típico da deficiência de B em citros, mas o mecanismo de formação sob deficiência de B é incerto. Nosso trabalho destacou o papel da biossíntese de lignina na formação da CSV. Laranjeiras ‘Newhall’ de dois anos de idade foram cultivadas sob condições de deficiência de B até o desenvolvimento dos sintomas de CSV. A morfologia da CSV foi observada por separação de nervuras e análise anatômica, e os resultados mostraram que as células do feixe vascular estavam malformadas e suas paredes celulares estavam fortemente espessadas. Curiosamente, uma camada de felema foi claramente observada ao redor do feixe vascular, o que não havia sido relatado anteriormente. Além disso, muitos pequenos, novos e incompletos feixes vasculares foram encontrados ao redor do feixe vascular original. Esses resultados indicam que a formação da CSV causada pela deficiência de B em citros pode provavelmente ser atribuída ao acúmulo de lignina no feixe vascular das nervuras. A medição do teor de lignina mostrou que o teor de lignina foliar aumentou marcadamente sob estresse de deficiência de B. A análise espectral de FTIR mostrou que a absorbância relativa correspondente aos picos característicos da lignina foi maior em folhas deficientes em B do que em plantas controle, mas a proporção de monolignóis não mudou. Esses resultados indicam que o acúmulo de lignina aumentou significativamente sob estresse de deficiência de B, e promove a formação dos sintomas de CSV. As enzimas-chave da biossíntese de lignina foram analisadas e os resultados sugerem que a deficiência de B ativou a atividade das enzimas PAL, C4H, CCR e CAD em folhas de citros, com exceção da 4CL. Da mesma forma, os níveis de expressão dos genes-chave da biossíntese de lignina aumentaram sob estresse de deficiência de B, incluindo CsPAL, CsC4H, Cs4CL2, Cs4CL3, CsCCR1, CsCAD2, CsCAD3 e CsCAD5. Esses resultados implicam que o metabolismo de lignina desempenha um papel essencial na formação da CSV sob deficiência de B. Tomados em conjunto, nossos resultados fornecem insights importantes sobre o mecanismo de formação da CSV causada por estresse de deficiência de B em citros.

Abstract

Boron (B) is an essential nutrient for plant development, and its deficiency has been frequently observed in many crops. Corky split vein (CSV) is a typical symptom of B deficiency in citrus, but the mechanism for the formation under B deficiency is unclear. Our work highlighted the role of lignin biosynthesis in the formation of CSV. Two-year-old ‘Newhall’ navel oranges were grown under B-deficient conditions until CSV symptoms developed. The morphology of CSV was observed by vein separation and anatomical analysis, and results showed that the vascular bundle cells were malformed, and their cell walls were heavily thickened. Interestingly, a phellem layer was clearly observed around the vascular bundle, which has not been reported previously. Moreover, many small, new, and incomplete vascular bundles were found around the original vascular bundle. These results indicate that the formation of CSV caused by B deficiency in citrus can probably be attributed to the accumulation of lignin in the vascular bundle of the veins. Lignin content measurement showed the leaf lignin content was markedly increased under B deficiency stress. Further FTIR spectral analysis showed that the relative absorbance corresponding to characteristic lignin peaks were higher in B deficient leaf than control plants, but the ratio of monolignols did not change. These results indicate that lignin accumulation increased significantly under B deficiency stress, and it promotes the formation of CSV symptoms. The key enzymes of lignin biosynthesis were analyzed and the results suggest that B deficiency activated the activity of PAL, C4H, CCR, and CAD enzymes in citrus leaves, with the exception of 4CL. Similarly, lignin biosynthesis key genes expression levels increased under B deficiency stress, including CsPAL, CsC4H, Cs4CL2, Cs4CL3, CsCCR1, CsCAD2, CsCAD3, and CsCAD5. These results implying that lignin metabolism plays an essential role in the formation of CSV under B deficiency. Taken together, our results provide important insights into the mechanism of CSV formation caused by B deficiency stress in citrus.