Silicon’s Role in Abiotic and Biotic Plant Stresses

Resumo

O silício (Si) desempenha um papel fundamental no estado nutricional de uma grande variedade de espécies de plantas monocotiledôneas e dicotiledôneas e as ajuda, direta ou indiretamente, a combater estresses abióticos e/ou bióticos. Em geral, plantas com alta concentração de Si nas raízes ou brotos são menos propensas a ataques de pragas e exibem maior tolerância a estresses abióticos, como seca, baixa temperatura ou toxicidade por metais. No entanto, o efeito mais notável do Si é a redução na intensidade de várias doenças transmitidas por sementes, solo e foliares em muitas culturas economicamente importantes, causadas por patógenos de plantas biotróficos, hemibiotróficos e necrotróficos. A redução na expressão dos sintomas da doença deve-se ao efeito do Si em alguns componentes da resistência do hospedeiro, incluindo período de incubação, tamanho e número de lesões. A barreira mecânica formada pela polimerização do Si sob a cutícula e nas paredes celulares foi a primeira hipótese proposta para explicar como esse elemento reduzia a severidade das doenças das plantas. No entanto, novos insights revelaram que muitas espécies de plantas fornecidas com Si têm as vias dos fenóis e terpenoides potencializadas e apresentam uma transcrição mais rápida e forte de genes de defesa e maior atividade de enzimas de defesa. A fotossíntese e o sistema antioxidante também são melhorados em plantas fornecidas com Si. Embora a compreensão atual de como esse elemento negligenciado melhora a reação das plantas contra infecções por patógenos, ataques de pragas e estresses abióticos tenha avançado, os mecanismos exatos pelo qual ele modula a fisiologia das plantas através da potencialização dos mecanismos de defesa do hospedeiro ainda precisa de investigação adicional nos níveis genômico, metabolômico e proteômico.

Abstract

Silicon (Si) plays a pivotal role in the nutritional status of a wide variety of monocot and dicot plant species and helps them, whether directly or indirectly, counteract abiotic and/or biotic stresses. In general, plants with a high root or shoot Si concentration are less prone to pest attack and exhibit enhanced tolerance to abiotic stresses such as drought, low temperature, or metal toxicity. However, the most remarkable effect of Si is the reduction in the intensities of a number of seedborne, soilborne, and foliar diseases in many economically important crops that are caused by biotrophic, hemibiotrophic, and necrotrophic plant pathogens. The reduction in disease symptom expression is due to the effect of Si on some components of host resistance, including incubation period, lesion size, and lesion number. The mechanical barrier formed by the polymerization of Si beneath the cuticle and in the cell walls was the first proposed hypothesis to explain how this element reduced the severity of plant diseases. However, new insights have revealed that many plant species supplied with Si have the phenylpropanoid and terpenoid pathways potentiated and have a faster and stronger transcription of defense genes and higher activities of defense enzymes. Photosynthesis and the antioxidant system are also improved for Si-supplied plants. Although the current understanding of how this overlooked element improves plant reaction against pathogen infections, pest attacks, and abiotic stresses has advanced, the exact mechanism(s) by which it modulates plant physiology through the potentiation of host defense mechanisms still needs further investigation at the genomic, metabolomic, and proteomic levels.