Silicon Dioxide Nanoparticles Induce Innate Immune Responses and Activate Antioxidant Machinery in Wheat Against Rhizoctonia solani

قارچ بازیدیومیست پاتوژن گیاهی، Rhizoctonia solani، دارای طیف وسیعی از گیاهان میزبان از جمله اعضای خانواده Poaceae است و موجب بیماری‌های مرگ‌زدگی و پوسیدگی ریشه می‌شود. در این مطالعه، ما نانوذرات دی‌اکسید سیلیکون با شکل کروی (SiO2 NPs؛ اندازه بین 9.92 تا 19.8 نانومتر) را با استفاده از عصاره زعفران سنتز کردیم و آنها را به‌عنوان یک راهکار درمانی بالقوه برای محافظت از نهال‌های گندم در برابر R. solani معرفی نمودیم. نانوذرات SiO2 فعالیت قارچ‌کش وابسته به دوز قوی بر روی R. solani نشان دادند و به‌طور قابل توجهی رشد شعاعی میسلیوم (تا 100٪ کاهش رشد)، وزن تازه و خشک میسلیوم، شدت مرگ‌زدگی پیش و پس از جوانه‌زنی و پوسیدگی ریشه را کاهش دادند. علاوه بر این، تأثیر نانوذرات SiO2 بر رشد نهال‌های گندم و مکانیزم‌های بالقوه آنها برای سرکوب بیماری بررسی شد. استفاده از نانوذرات SiO2 همچنین جوانه‌زنی، رشد رویشی و شاخص‌های شادابی نهال‌های گندم آلوده را بهبود بخشید که نشان‌دهنده عدم سمیت گیاهی برای نهال‌های گندم تیمارشده است.علاوه بر این، نانوذرات SiO2 محتوای رنگدانه‌های فتوسنتزی (کلروفیل‌ها و کاروتنوئیدها) را افزایش دادند، باعث تجمع ترکیبات مرتبط با دفاع (به ویژه اسید سالیسیلیک) شدند و استرس اکسیداتیو را از طریق تحریک هر دو سازوکار دفاعی آنزیمی (POD، SOD، APX، CAT و PPO) و غیر آنزیمی (فنول‌ها و فلاونوئیدها) کاهش دادند. به طور کلی، یافته‌های ما نقش درمانی بالقوه نانوذرات SiO2 را در برابر عفونت R. solani از طریق فعال‌سازی همزمان یک سیستم دفاعی چندلایه برای سرکوب پاتوژن، خنثی‌سازی اثر مخرب گونه‌های اکسیژن فعال، پراکسیداسیون لیپیدها و متیل‌گلیوکسال و حفظ هموستازی درون گیاهان آلوده به R. solani نشان داد.

The phytopathogenic basidiomycetous fungus, Rhizoctonia solani, has a wide range of host plants including members of the family Poaceae, causing damping-off and root rot diseases. In this study, we biosynthesized spherical-shaped silicon dioxide nanoparticles (SiO2 NPs; sized between 9.92 and 19.8 nm) using saffron extract and introduced them as a potential alternative therapeutic solution to protect wheat seedlings against R. solani. SiO2 NPs showed strong dose dependent fungistatic activity on R. solani, and significantly reduced mycelial radial growth (up to 100% growth reduction), mycelium fresh and dry weight, and pre-, post-emergence damping-off, and root rot severities. Moreover, the impact of SiO2 NPs on the growth of wheat seedlings and their potential mechanism (s) for disease suppression was deciphered. SiO2 NPs application also improved the germination, vegetative growth, and vigor indexes of infected wheat seedlings which indicates no phytotoxicity on treated wheat seedlings. Moreover, SiO2 NPs enhanced the content of the photosynthetic pigments (chlorophylls and carotenoids), induced the accumulation of defense related compounds (particularly salicylic acid), and alleviated the oxidative stress via stimulation of both enzymatic (POD, SOD, APX, CAT, and PPO) and non-enzymatic (phenolics and flavonoids) antioxidant defense machinery. Collectively, our findings demonstrated the potential therapeutic role of SiO2 NPs against R. solani infection via the simultaneous activation of a multilayered defense system to suppress the pathogen, neutralize the destructive effect of ROS, lipid peroxidation, and methylglyoxal, and maintain their homeostasis within R. solani-infected plants.