Transcriptomic and Physiological Insights into the Role of Nano-Silicon Dioxide in Alleviating Salt Stress During Soybean Germination
- S. Y. Shin
- W. H. Lee
- B. H. Kang
- S. Chowdhury
- D. Y. Kim
- H. S. Lee
- B. K. Ha
Resumo
O estresse salino é uma forma importante de estresse abiótico que prejudica a germinação da soja e o estabelecimento inicial das plântulas. Neste estudo, análises fisiológicas, bioquímicas e transcriptômicas – incluindo índice de germinação, atividade de enzimas antioxidantes e perfilamento por RNA-seq – foram conduzidas durante a germinação da soja para elucidar as respostas iniciais ao estresse salino e ao tratamento com bioprotetores. Uma triagem preliminar de seis bioprotetores (óxido de zinco nanoparticulado (NP-ZnO), dióxido de silício nanoparticulado (NP-SiO2), dióxido de silício (SiO2), glicose, ácido húmico e ácido fúlvico), revelou o NP-SiO2 como o mais eficaz em promover a germinação sob estresse salino. Sob 150 mM de NaCl, o NP-SiO2 aumentou a taxa de germinação e o comprimento da radícula em comparação com o controle, além de aumentar as atividades da peroxidase e da ascorbato peroxidase enquanto reduzia o acúmulo de malondialdeído, sugerindo o alívio do estresse oxidativo. O sequenciamento de RNA revelou um extenso reprogramamento transcricional sob estresse salino, identificando 4579 genes diferencialmente expressos (GDEs) em comparação com condições sem estresse, enquanto o tratamento com NP-SiO2 reduziu esse número para 2734, indicando que o NP-SiO2 mitigou o distúrbio transcricional causado pelo estresse salino e estabilizou as redes de expressão gênica. A análise de agrupamento mostrou que os genes relacionados ao crescimento e hormônios suprimidos pelo estresse salino foram restaurados sob tratamento com NP-SiO2, enquanto os genes de resposta ao estresse induzidos pelo sal foram atenuados. A análise de GDEs relacionados a hormônios revelou que o NP-SiO2 regulou negativamente a superativação nas vias do ácido abscísico, ácido jasmônico e ácido salicílico, enquanto restaurou parcialmente a sinalização de giberelina, auxina, citocinina e brassinoesteroides. No geral, o NP-SiO2 a 100 mg/L mitigou o estresse oxidativo induzido pelo sal e promoveu o crescimento inicial da soja por meio do ajuste fino das respostas fisiológicas e transcricionais, representando um bioprotetor à base de nanopartículas promissor para aumentar a tolerância ao sal em plantas.
Abstract
Salt stress is a major form of abiotic stress that disrupts soybean germination and early seedling establishment. In this study, physiological, biochemical, and transcriptomic analyses—including germination index, antioxidant enzyme activity, and RNA-seq profiling—were conducted during soybean germination to elucidate early responses to salt stress and biostimulant treatment. A preliminary screening of six biostimulants (nanoparticle zinc oxide (NP-ZnO), nanoparticle silicon dioxide (NP-SiO2), silicon dioxide (SiO2), glucose, humic acid, and fulvic acid) revealed NP-SiO2 as the most effective in promoting germination under salt stress. Under 150 mM NaCl, NP-SiO2 increased the germination rate and length of the radicle compared with the control, also enhancing peroxidase and ascorbate peroxidase activities while reducing malondialdehyde accumulation, suggesting alleviation of oxidative stress. RNA sequencing revealed extensive transcriptional reprogramming under salt stress, identifying 4579 differentially expressed genes (DEGs) compared with non-stress conditions, while NP-SiO2 treatment reduced this number to 2734, indicating that NP-SiO2 mitigated the transcriptional disturbance caused by salt stress and stabilized gene expression networks. Cluster analysis showed that growth- and hormone-related genes suppressed by salt stress were restored under NP-SiO2 treatment, whereas stress-responsive genes that were induced by salt were attenuated. Hormone-related DEG analysis revealed that NP-SiO2 down-regulated the overactivation in the abscisic acid, jasmonic acid, and salicylic acid pathways while partially restoring gibberellin, auxin, cytokinin, and brassinosteroid signaling. Overall, NP-SiO2 at 100 mg/L mitigated salt-induced oxidative stress and promoted early soybean growth by fine-tuning physiological and transcriptional responses, representing a promising nano-based biostimulant for enhancing salt tolerance in plants.
