Can silicon enhance the ability of wheat (Triticum aestivum L.) leaves to retain water under drought conditions?

Abstract

[ES] El silicio (Si) es el segundo elemento más abundante en la Tierra, y a pesar de no considerarse un nutriente mineral esencial, numerosas referencias bibliográficas proporcionan evidencias que respaldan sus efectos beneficiosos en las plantas, especialmente bajo condiciones de estrés, como la sequía. El Si es absorbido por las plantas en forma de ácido silícico Si(OH)4 y se deposita principalmente en la pared celular, donde componentes específicos desencadenan la precipitación de SiO2 en el apoplasto en forma sólida, como fitolitos, a través de un proceso llamado biosilicificación. Según la "hipótesis de obstrucción apoplástica" de Coskun et al. (2019), la biosilicificación en el apoplasto reduce las pérdidas de agua a través de la transpiración y, por lo tanto, mejora el rendimiento del cultivo bajo condiciones de estrés por sequía. Además, se ha documentado que la aplicación de silicio mejora el potencial hídrico de las hojas en presencia de condiciones de estrés hídrico (Matoh et al., 1991). Se propone que una doble capa compuesta de sílice y cutícula, formada en el tejido epidérmico de las hojas, es responsable del aumento del potencial hídrico observado, aunque aún no se ha comprendido completamente su mecanismo de acción. Mejorar la capacidad de las plantas para retener agua durante los períodos de sequía no solo podría aumentar la resiliencia de los cultivos, sino también mejorar la eficiencia en el uso del agua en la agricultura y avanzar hacia prácticas agrícolas más sostenibles.

Esta tesis investiga el impacto de la fertilización con silicio en la capacidad de almacenamiento de agua en las hojas de trigo. El trigo de primavera (Triticum aestivum L. cv. Expectum) se cultiva hidropónicamente bajo seis tratamientos, combinando tres concentraciones de silicio con dos condiciones de estrés (sin estrés y sequía inducida por PEG). Los resultados del estudio contradicen las hipótesis iniciales, mostrando que el tratamiento con silicio no mejoró el crecimiento ni el contenido relativo de agua (RWC) en las plantas de trigo bajo estrés por sequía, y solo redujo parcialmente el potencial hídrico de las hojas. Además, fluctuaciones inesperadas en el pH de las soluciones tratadas con silicio podrían haber afectado los resultados. .

[EN] Silicon (Si) is the second most abundant element on Earth, and despite not being considered an essential mineral nutrient, an expanding body of literature provides mounting evidence substantiating its beneficial effects on plants, especially under stress conditions such as drought. Si is taken up by plants as silicic acid Si(OH)4 and it is deposited mostly in the cell wall where specific components trigger SiO2 precipitation in the apoplast in solid form, as phytoliths, through a process called biosilification. According to the apoplastic obstruction hypothesis by Coskun et al. (2019) the biosilification in the apoplast reduces water losses through transpiration and therefore improves the crop performance under drought stress conditions. Moreover, the application of silicon is documented to improve leaf water potential in the presence of water stress conditions (Matoh et al., 1991). It is proposed that a dual layer composed of silica and cuticle formed on the leaf epidermal tissue is accountable for the observed elevated water potential while an understanding of its mechanism of action has not been provided yet. Improving plants' ability to retain water during drought periods could not only increase crop resilience but also enhance water use efficiency in agriculture and move towards more sustainable agricultural practices.

This thesis investigates the impact of silicon fertilization on the water storage capacity of wheat leaves. Spring wheat (Triticum aestivum L. cv. Expectum) is grown hydroponically under six treatments, combining three silicon concentrations with two stress conditions (no stress and PEG-induced drought). The study's findings contradict the initial hypotheses, showing that silicon treatment did not improve wheat growth or relative water content (RWC) under drought stress, and only partially reduced leaf water potential. Additionally, unexpected pH fluctuations in the silicon-treated solutions may have influenced the results.