Silicon-Mediated Physiological and Agronomic Responses of Maize to Drought Stress Imposed at the Vegetative and Reproductive Stages

Resumo

O silício (Si) aumenta a resistência do milho à seca. Enquanto estudos anteriores se concentraram principalmente na fase de plântula, a mediação pelo Si do estresse hídrico imposto nos estádios vegetativo e reprodutivo foi raramente investigada. Assim, conduziu-se um experimento em colunas de solo sob abrigo de chuva para quantificar os efeitos da aplicação de Si sobre as respostas fisiológicas e agronômicas do milho ao estresse hídrico imposto nos estádios de 6 folhas (D-V6), 12 folhas (D-V12) e grão bolha (D-R2). Os parâmetros observados incluíram crescimento, fotossíntese, osmólitos, atividade antioxidante e produtividade de grãos. Os resultados mostraram que o estresse hídrico reduziu fortemente a área foliar, o teor de água foliar, a taxa fotossintética, o teor de clorofila e a atividade antioxidante (superóxido dismutase (SOD), peroxidase (POD) e catalase (CAT)) e aumentou acentuadamente a peroxidação lipídica. D-V6, D-V12 e D-R2 reduziram a produtividade de grãos em 12,9%, 28,9% e 44,8%, respectivamente, em comparação com o tratamento bem irrigado (CK). No entanto, a aplicação de Si aumentou acentuadamente a área foliar, o teor de clorofila, a taxa fotossintética, o teor de osmólitos e as atividades enzimáticas antioxidantes (SOD, POD e CAT), e reduziu o acúmulo de malondialdeído (MDA) e de radical superóxido, elevando a produtividade do milho em 12,4%, 69,8% e 80,8%, respectivamente, em comparação com as plantas não tratadas com Si sob estresse hídrico nos estádios V6, V12 e R2. Além disso, a produtividade apresentou correlação positiva significativa com o teor de clorofila e com as atividades de SOD e POD nos três estádios. Os resultados sugerem que as alterações induzidas pelo Si no teor de clorofila e na atividade antioxidante podem constituir mecanismos importantes de mitigação do estresse hídrico. Em conclusão, este estudo fornece evidências físico-bioquímicas do papel benéfico do Si na atenuação da redução de produtividade induzida pela seca no milho, particularmente no final do estádio vegetativo ou início do reprodutivo. Assim, a aplicação de Si constitui uma abordagem eficaz para aumentar a produtividade do milho em sistemas agrícolas de sequeiro.

Abstract

Silicon (Si) enhances maize resistance to drought. While previous studies have mainly focused on the seedling stage, the mediation of drought stress by Si imposed at the vegetative and reproductive stages has been rarely investigated. A soil-column experiment was thus conducted under a rainproof shelter to quantify the effects of Si application on the physiological and agronomic responses of maize to drought stress imposed at the 6-leaf (D-V6), 12-leaf (D-V12), and blister (D-R2) stages. The observed parameters included plant growth, photosynthesis, osmolytes, antioxidant activity, and grain yield. The results showed that drought stress strongly decreased the leaf area, leaf water content, photosynthetic rate, chlorophyll content, and antioxidant activity (superoxide dismutase (SOD), peroxidase (POD), and catalase (CAT)) and markedly increased lipid peroxidation. D-V6, D-V12, and D-R2 decreased grain yields by 12.9%, 28.9%, and 44.8%, respectively, compared to the well-watered treatment (CK). However, Si application markedly increased leaf area, chlorophyll content, photosynthetic rate, osmolyte content, and enzymatic antioxidant activities (SOD, POD, and CAT), and decreased malondialdehyde (MDA) and superoxide radical accumulation, ultimately improving maize yields by 12.4%, 69.8%, and 80.8%, respectively, compared to the non-Si treated plants under drought stress at the V6, V12, and R2 stages. Furthermore, maize yields had a significant positive correlation with chlorophyll content and SOD and POD activity during the three stages. Our findings suggest that Si-induced changes in chlorophyll content and antioxidant activity might constitute important mechanisms for mitigating drought stress. In conclusion, this study provides physico-biochemical evidence for the beneficial role of Si in alleviating drought-induced yield reduction in maize, particularly during the late vegetative or early reproductive stages. Thus, Si application constitutes an effective approach for improving maize yield in rain-fed agricultural systems.