Silicon nutrition mitigates the negative impacts of iron toxicity on rice photosynthesis and grain yield

Abstract

Abstract. Excess iron (Fe) is commonly observed in wetland rice (Oryza sativa L.) plants, impairing crop growth and productivity. Some information suggests that silicon (Si) can reduce Fe content in leaves and roots of rice (vegetative phase), but nothing is known if Si could mitigate the effects of Fe toxicity on rice production and photosynthesis. Here, we assessed the role of Si in alleviating the well-known effects of Fe toxicity on nutritional imbalances, biomass accumulation, photosynthesis and grain yield using two rice cultivars having differential abilities to tolerate excess Fe. Plants were hydroponically grown under two Fe levels (25 μM or 5 mM) and the nutrient solutions were amended with Si (0 or 2 mM). Under excess Fe were detected (i) nutritional deficiencies, especially of calcium and magnesium in leaves; (ii) negligible changes in grain nutritional composition, independently of Si application; (iii) decreases in net photosynthetic rates, stomatal conductance and electron transport rate, in parallel to decreased grain yield components (total grain biomass, 1000-grain mass, percentage of filled grains, number of grains per plant and harvest index), especially in the Fe-sensitive cultivar. These impairments were partially reversed by the application of Si. Results also suggest that Si alleviated the negative impacts of Fe on spikelet sterility. In summary, we conclude that the use of Si can be recommended as an effective management strategy to reduce the negative impacts of Fe toxicity on rice photosynthetic performance and crop yield.Resumen. Es frecuente observar un exceso de hierro (Fe) en plantas de arroz (Oryza sativa L.) de zonas húmedas, lo que perjudica el crecimiento y la productividad del cultivo. Algunas informaciones sugieren que el silicio (Si) puede reducir el contenido de Fe en hojas y raíces del arroz (fase vegetativa), pero nada se sabe de si el Si podría mitigar los efectos de la toxicidad por Fe en la producción y fotosíntesis del arroz. Aquí, evaluamos el papel del Si en el alivio de los conocidos efectos de la toxicidad del Fe sobre los desequilibrios nutricionales, la acumulación de biomasa, la fotosíntesis y la producción de grano utilizando dos cultivares de arroz con capacidades diferenciales para tolerar el exceso de Fe. Las plantas se cultivaron hidropónicamente bajo dos niveles de Fe (25 μM o 5 mM) y las soluciones nutritivas se enmendaron con Si (0 o 2 mM). Bajo exceso de Fe se detectaron (i) deficiencias nutricionales, especialmente de calcio y magnesio en las hojas; (ii) cambios insignificantes en la composición nutricional del grano, independientemente de la aplicación de Si; (iii) disminuciones en las tasas fotosintéticas netas, conductancia estomática y tasa de transporte de electrones, en paralelo a la disminución de los componentes del rendimiento del grano (biomasa total del grano, masa de 1000 granos, porcentaje de granos llenos, número de granos por planta e índice de cosecha), especialmente en el cultivar sensible al Fe. Estas deficiencias se invirtieron parcialmente con la aplicación de Si. Los resultados también sugieren que el Si alivió los efectos negativos del Fe sobre la esterilidad de la espiguilla. En resumen, concluimos que el uso de Si puede recomendarse como una estrategia de gestión eficaz para reducir los impactos negativos de la toxicidad del Fe sobre el rendimiento fotosintético del arroz y el rendimiento del cultivo.