Soluble Silicon Controls Fusarium Head Blight in Bread and Durum Wheat Plants

Abstract

Soluble silicon (Si) plays a pivotal role in the nutritional status of a wide variety of field crops and helps them, whether directly or indirectly, counteract fungal diseases. There is a paucity of information about the effect of Si on reducing Fusarium head blight (FHB) disease in wheat. This study aimed to evaluate the function of Si supplied to bread (moderately resistant) and durum (susceptible) wheat plants via incorporation into soil and foliar spraying in conferring resistance against four FHB species. Resistance mechanisms possibly involved in reduction of disease incidence and disease severity measured at 7, 14, 21 and 28 days post inoculation (dpi) potentialized by this element were also suggested. A SiO₂ powder was applied to soil while liquid formulation of Si was used as foliar spray at the rates 0.00, 0.50, 1.50 and 3.00 g/kg and 0.0, 0.8, 1.7 and 3.4 mM, respectively. Si at all rates of application did not significantly (p ≥ 0.05) reduce the incidence and severity at 7 dpi. However, with the application of 1.50 g/kg of soil and 1.7 mM, a reduction of bleaching of spikes (19.4% and 17.5%, respectively, on bread, 14.6% and 12.3%, respectively, on durum at 28 dpi) and spikelets (17.9% and 16.9%, respectively, on bread, 17.6% and 17.0%, respectively, on durum at 28 dpi) was observed at 14 dpi and increased with time till 28 dpi, and the other rates did not. The results also revealed that plants treated with solid source of Si (1.50 g silica gel) suffered lower levels of disease incidence and severity as compared with those treated with foliar spray (1.7 mM). The Si effect appeared to be species-specific at 21 and 28 dpi. More importantly, the susceptible cultivar treated with silicon was as resistant as the moderately resistant cultivar without silicon at 14, 21 and 28 dpi. Considering that no effects of Si were observed during the initial infection stage up to 7 dpi, our results theoretically postulate that silicon triggers defense processes in wheat plants, acting as an elicitor, in the latest infection stages (14 till 28 dpi) to reduce disease incidence and severity with a diversity depending of FHB species through affecting mycotoxins synthesis. Si soil and foliar inputs could be a valuable tool in integrated management against FHB pathogens by reducing the disease development on wheat.

Zusammenfassung

Lösliches Silizium (Si) spielt eine zentrale Rolle im Nährstoffstatus einer Vielzahl von Feldfrüchten und hilft ihnen, ob direkt oder indirekt, Pilzkrankheiten entgegenzuwirken. Es gibt nur wenige Informationen über die Wirkung von Si auf die Reduzierung der Ährenfusariose (Fusarium head blight, FHB) bei Weizen. Ziel dieser Studie war es, die Funktion von Si, das Brotweizen (mäßig resistent) und Durumweizen (anfällig) durch Einarbeitung in den Boden und Blattspritzung zugeführt wird, bei der Vermittlung von Resistenz gegen vier FHB-Arten zu bewerten. Es wurden auch Resistenzmechanismen vorgeschlagen, die möglicherweise an der Verringerung der Krankheitsinzidenz und der Krankheitsschwere – gemessen an 7, 14, 21 und 28 Tagen nach der Inokulation (days post inoculation, dpi) – beteiligt sind. Ein SiO₂-Pulver wurde auf den Boden aufgebracht (0,00, 0,50, 1,50 und 3,00 g/kg), während eine flüssige Formulierung von Si als Blattspray in den Raten 0,0, 0,8, 1,7 und 3,4 mM verwendet wurde. Si in allen Anwendungsraten reduzierte das Auftreten und den Schweregrad bei 7 dpi nicht signifikant (p ≥ 0,05). Jedoch wurde bei der Anwendung von 1,50 g/kg Boden und 1,7 mM eine Reduzierung des Ausbleichens der Ähren (19,4 % bzw. 17,5 % bei Brot, 14,6 % bzw. 12,3 % bei Durum bei 28 dpi) und der Ährchen (17,9 % bzw. 16,9 % bei Brot, 17,6 % bzw. 17,0 % bei Durum bei 28 dpi) bei 14 dpi beobachtet, was mit der Zeit bis 28 dpi zunahm, bei den anderen Raten nicht. Die Ergebnisse zeigten auch, dass Pflanzen, die mit einer festen Si-Quelle (1,50 g Kieselgel) behandelt wurden, ein geringeres Auftreten und eine geringere Schwere der Krankheit aufwiesen als solche, die mit Blattspray (1,7 mM) behandelt wurden. Der Si-Effekt schien bei 21 und 28 dpi artspezifisch zu sein. Noch wichtiger ist, dass die anfällige Sorte, die mit Silizium behandelt wurde, bei 14, 21 und 28 dpi genauso resistent war wie die mäßig resistente Sorte ohne Silizium. In Anbetracht der Tatsache, dass während des anfänglichen Infektionsstadiums bis zu 7 dpi keine Wirkungen von Silizium beobachtet wurden, postulieren unsere Ergebnisse theoretisch, dass Silizium in den letzten Infektionsstadien (14 bis 28 dpi) Abwehrprozesse in Weizenpflanzen auslöst und als Elicitor wirkt, um das Auftreten und den Schweregrad der Krankheit in Abhängigkeit von der FHB-Spezies zu reduzieren, indem es die Synthese von Mykotoxinen beeinflusst. Si-Bodenbehandlungen und Blattspritzungen könnten ein wertvolles Werkzeug im integrierten Management gegen FHB-Pathogene sein, indem sie die Krankheitsentwicklung bei Weizen reduzieren.