Perfil de metabólitos e expressão de genes de defesa induzidos por polissacarídeos algais em trigo (Triticum aestivum l.) contra Zymoseptoria tritici

Abstract

A mancha salpicada da folha, causada pelo fungo Zymoseptoria tritici, é uma das principais doenças do trigo em todo o mundo. Atualmente, a principal forma de controle é o uso de fungicidas convencionais e cultivares resistentes. Contudo, devido a variabilidade genética, Z. tritici frequentemente desenvolve resistência aos fungicidas e supera a resistência do hospedeiro. Neste cenário, novas alternativas de controle, como a indução de resistência, precisam ser consideradas. Polissacarídeos algais, como a ulvana e laminarana, extraídos das paredes celulares de algas verdes e marrons, respectivamente, têm demostrado potencial em induzir respostas de defesa de plantas contra patógenos. Assim, o objetivo deste trabalho foi avaliar o potencial da ulvana e da formulação de laminarana, Vacciplant®, na proteção do trigo contra Z. tritici bem como determinar a expressão de genes de defesa e o perfil de metabólitos associados à resistência. Para isso, plantas de trigo cultivadas em casa-de-vegetação foram pulverizadas separadamente com os produtos dois dias antes da inoculação com o fungo. Uma aplicação foliar preventiva de ulvana ou Vacciplant® reduziu significativamente a severidade da doença e a densidade de picnídios em torno de 50% aos 21 dias após a inoculação. Ambos os tratamentos também reduziram a colonização subestomática e a formação de picnídios nas folhas de trigo. Observações microscópicas revelaram que Vacciplant®, mas não a ulvana, possui atividade antifúngica direta contra Z. tritici em condições in vitro e in planta. Ensaios moleculares revelaram que o tratamento com ulvana ou Vacciplant® possui efeito elicitor, mas não efeito priming, na expressão de genes envolvidos em várias vias de defesa do trigo. Ambos os polissacarídeos induziram a expressão de genes relacionados à patogênese (ß-1,3-endoglucanase e quitinase) e da via dos octadecanoides (lipoxigenase e óxido aleno sintase), a ulvana aumentou a expressão do gene oxalato oxidase envolvido no metabolismo das espécies reativas de oxigênio enquanto que o Vacciplant® elicitou os genes da biossíntese da via dos fenilpropanoides (fenilalanina amônia-liase e chalcona sintase). Por fim, a análise de metabolômica, quantificando 83 metabólitos relacionados à defesa do trigo, demostrou que o tratamento foliar com ulvana ou Vacciplant® não causou maiores alterações no metabolismo geral das plantas, sugerindo um baixo custo metabólico associado à indução de resistência.

Abstract: Septoria tritici blotch, caused by the hemibiotrophic fungus Zymoseptoria tritici, is one of the main wheat diseases worldwide. Currently, disease control relies on the use of conventional fungicides and resistant cultivars. However, due to high genetic variability, Z. tritici often develops resistance to fungicides and overcomes host resistance. In this scenario, new control measures such as induction of plant resistance need to be considered. Algal polysaccharides, such as ulvan and laminarin, extracted from the cell walls of green and brown algae, respectively, have demonstrated potential to induce plant defense responses against pathogens. Thus, the present work aimed to evaluate the potential of ulvan and formulation of laminarin, Vacciplant®, in protecting wheat against Z. tritici, as well as determine the expression of defense-related genes and metabolite profiling associated with resistance induction. For that, wheat plants grown in greenhouse conditions were sprayed separately with the products two days before fungal inoculation. A preventive foliar application of ulvan or Vacciplant® significantly reduced both disease severity and pycnidium density by c. 50% at 21 days after inoculation. Both treatments also reduced substomatal colonization and pycnidium formation on wheat leaves. Microscopic observations revealed that Vacciplant®, but did not ulvan, exhibited a direct antifungal activity against Z. tritici both in vitro and in planta conditions. Molecular assays revealed that treatment of ulvan or Vacciplant® elicits, but does not prime, the expression of genes involved in several wheat defense pathways. Both polysaccharides induced the gene expression of pathogenesis-related proteins (ß-1,3-endoglucanase and chitinase) and octadecanoid pathway (lipoxygenase and allene oxide synthase), ulvan increased the expression of oxalate oxidase gene involved in the metabolism of reactive oxygen species while Vacciplant® elicited the expression of genes related to phenylpropanoid pathway (phenylalanine ammonia-lyase and chalcone synthase). Finally, the metabolomic analysis, quantifying 83 metabolites related to wheat defense, showed that foliar treatment with ulvan or Vacciplant® did not cause major changes in plant metabolism, suggesting a low metabolic cost associated with induction of resistance.