Photosynthesis and biological nitrogen fixation in common bean cultivars with different growth cycles

Abstract

Resumo: A simbiose entre leguminosas e rizóbios tem sido estudada há anos devido a grande oportunidade para o desenvolvimento agronômico sustentável. Essa é baseada na troca de nutrientes de carbon C da planta por nitrogênio (N) proveniente da fixação biológica de N2 (FBN), de forma que a planta teria um custo de C para um benefício de N. Entretanto, os supostos custos de C são compensados pela estimulação da taxa fotossintética a medida que a FBN é aumentada. A cultura de feijão comum (Phaseolus vulgaris L.) é conhecida por sustentar uma das menores taxas FBN entre as leguminosas graníferas cultivadas, alcançando maiores rendimentos na presença de fertilizante nitrogenado (fertilizante-N). Por isso, a compreensão dos fatores que governam os processos de fotossíntese e FBN do feijão comum pode orientar estratégias para superar a limitação de produtividade sem adição de altas doses de fertilizante-N. Este trabalho teve como objetivo estudar as relações entre a capacidade fotossintética de feijão comum com diferentes ciclos de crescimento e possíveis variações na capacidade de FBN, quando inoculada com Rhizobium tropici CIAT 899, ou adubada com fertilizante-N. A hipótese foi de que a fotossíntese e a FBN são processos sincronizados com a demanda de crescimento da planta e variam de acordo com o grupo de cultivares. Sementes de feijão comum dos cultivares (1) de ciclo superprecoce BRS FC104 (65 dias, da emergência à maturação fisiológica), (2) de ciclo intermediário BRS Pontal (87 dias); e (3) de ciclo longo BRS Vereda (93 dias) foram semeadas em vasos de solo, considerando os seguintes tratamentos: (i) plantas foram cultivadas com fertilizante-N, (ii) inoculadas; e, (iii) plantas não inoculadas e sem fertilizante-N. Durante o crescimento das plantas, foram medidas as taxas fotossintéticas e na colheita, foram determinadas as concentrações de ureídos, N total, açúcares solúveis e insolúveis em folhas e raízes secas sob circulação de ar forçado, bem como as atividades das enzimas Glutamina Sintetase (GS) e Glutamato Sintetase (GOGAT) em nódulos retirados frescos e congelados. O estudo indicou a inoculação de rizóbios em cultivares superprecoces é capaz de suprir as demandas de N, mesmo sem ter trazido incrementos da taxa fotossintética, de massa aérea e raízes secas em relação aos tratamentos que receberam fertilizante-N. A concentração de N nas folhas não apresentou diferença significativa em função dos tratamentos, porém a atividade enzimática de GS e GOGAT nos nódulos foi maior nas plantas inoculadas. Portanto, os custos de C do R. tropici CIAT 899 permitem um desenvolvimento satisfatório do feijão comum sem a necessidade de adição de fertilizante-N.

Abstract: The symbiosis between legumes and rhizobia has been studied for years due to the great opportunity for sustainable agronomic development. It is based on the exchange of carbon (C) nutrients from the plant for nitrogen (N) derived from biological N2 fixation (BNF), so that the plant would have a C cost for an N benefit. However, the supposed C costs are offset by the stimulation of the photosynthetic rate as the BNF increases. Common bean (Phaseolus vulgaris L.) is known to sustain one of the lowest BNF rates among cultivated grain legumes, achieving higher yields in the presence of nitrogenous fertilizer (N-fertilizer). Therefore, understanding the factors governing the photosynthesis and BNF processes of common bean can guide strategies to overcome productivity limitations without the addition of high doses of N-fertilizer. This study aimed to investigate the relationships between the photosynthetic capacity of common bean with different growth cycles and possible variations in BNF capacity when inoculated with Rhizobium tropici CIAT 899 or amended with N-fertilizer. The hypothesis was that photosynthesis and BNF are synchronized processes with the plant's growth demand and vary according to the cultivar group. Seeds of common bean cultivars (1) BRS FC104 super-early cycle (65 days from emergence to physiological maturity), (2) BRS Pontal intermediate cycle (87 days), and (3) BRS Vereda long cycle (93 days) were sown in soil pots, considering the following treatments: (i) plants were grown with N-fertilizer, (ii) inoculated with R. tropici 899; and (iii) non-inoculated plants without N-fertilizer. During plant growth, photosynthetic rates were measured, and at harvest, concentrations of ureides, total N, soluble and insoluble sugars in leaves and roots were determined under forced air circulation and, as well as the activities of the enzymes Glutamine Synthetase (GS) and Glutamate Synthetase (GOGAT) in freshly harvested and frozen nodules. The study indicated that rhizobia inoculation in super-early cultivars can meet N demands, even without increasing photosynthetic rate, aerial mass, and dry roots compared to treatments receiving N-fertilizer. The N concentration in the leaves did not show significant differences due to treatments, but the enzymatic activity of GS and GOGAT in nodules was higher in inoculated plants. Therefore, the C-costs of R. tropici CIAT 899 symbiosis allow satisfactory development of common bean, without the amendment with Nfertilizer.