Impact of silicon nutrition on barley plants under potassium deficiency or drought stress : insight into transcriptional, hormonal and metabolic regulation

Abstract

Silicon (Si) as beneficial element in plant nutrition has been shown to increase tolerance to biotic and abiotic stresses. Potassium (K) deficiency and drought are two major abiotic stresses in agriculture. In this study, physiological analyses revealed that under long- or short-term K deficiency conditions, Si nutrition enhanced remobilization of vacuolar root K pools and root-to-shoot translocation, which restored K-dependent metabolic processes in shoots for the sake of continued assimilate provision to roots. Under drought stress, Si induced drought tolerance mainly via improved water content and reconstituted hormonal homeostasis in leaves, in particular by suppressed abscisic acid. Altogether, this study reveals novel regulatory patterns conferred by Si under low K and drought stress, which can improve Si application in plant production to foster sustainable agriculture.

Silizium (Si) als nützliches Element in der Pflanzenernährung erhöht nachweislich die Toleranz gegenüber biotischen und abiotischen Stressfaktoren. Kalium (K)-Mangel und Trockenheit sind zwei wichtige abiotische Stressfaktoren in der Landwirtschaft. In dieser Studie ergaben physiologische Analysen, dass die Si-Ernährung unter lang- oder kurzfristigen K-Mangelbedingungen die Remobilisierung der vakuolären K-Reservoirs in den Wurzeln und die Verlagerung von der Wurzel in den Spross verbesserte, wodurch die K-abhängigen Stoffwechselprozesse in den Sprossen wiederhergestellt wurden, um eine kontinuierliche Versorgung der Wurzeln mit Assimilaten zu gewährleisten. Bei Trockenstress induzierte Si die Trockentoleranz vor allem über einen verbesserten Wassergehalt und stellte die hormonelle Homöostase in den Blättern wieder her, insbesondere durch die Unterdrückung von Abscisinsäure. Insgesamt zeigt diese Studie neuartige Regulationsmuster auf, die durch Si bei niedrigem K-Gehalt und Trockenstress vermittelt werden und die den Einsatz von Si in der Pflanzenproduktion verbessern können, um eine nachhaltige Landwirtschaft zu fördern.