The Effects of Arbuscular Micorizal Fungus (amf) and Strigolactone Treatments Against Foot and Root Rot Disease (fusarium Culmorum (w.g. Smith) Saccardo) in Wheat

Abstract

Dünya genelinde önemli bir tarım ürünü olan buğday, kök ve kök boğazı çürüklüğü (FRR) ile Fusarium başak yanıklığına (FHB) neden olan Fusarium culmorum (FC) gibi fungal patojenlerin tehdidi altındadır. Bu çalışma, FC'nin neden olduğu FRR'ye karşı buğday bitkilerinde Strigolaktonun (SL) sentetik analoğu rac-GR24 ve arbusküler mikorizal fungus (Funneliformis mosseae, AMF) uygulamalarının bitki gelişimi, fizyolojik tepkiler, hastalığa karşı moleküler düzeyde dayanıklık geliştirme ve toprak sağlığı üzerindeki etkilerini araştırmaktadır. Çalışmada, FC'ye hassas 'Esperia' ve dayanıklı 'Demir 2000' buğday çeşitleri kullanılmıştır. Çalışmanın ön deneme aşamasında, AMF ile sinerjik etkiyi artıran en uygun SL konsantrasyonu (0, 1, 5, 10, 15 ve 20 μM) ve uygulama şekli (rizosferden ve yeşil aksamdan) belirlenmiştir. Bitki morfolojisi, klorofil, fosfor içeriği ve mikorizal simbiyoz dahil 72 parametre üzerinden yapılan analizler sonucunda, en etkili konsantrasyonun '15 μM' ve uygulama şeklinin 'rizosferden' yapılması olduğu ortaya konmuştur. Ana denemede, AMF ve SL uygulamalarının FC'ye karşı hassas ve dayanıklı buğday çeşitlerinde bitki gelişimi ve savunma mekanizmaları üzerindeki etkileri detaylandırılmıştır. SL ve AMF'nin sinerjik etkileri, bitki morfolojisi, klorofil içeriği, biyokimyasal aktiviteler ve fosfor alımı gibi parametrelerde anlamlı iyileşmeler sağlamış, bu durum bitki sağlığını ve büyümesini desteklemiştir. Özellikle hassas çeşit Esperia'da toplam fenolik içeriği, antioksidan aktivitesi ve prolin seviyelerinde dengeli bir artış sağlanarak hastalık stresine karşı savunma kapasitesi güçlendirilmiştir. Moleküler düzeyde yapılan analizler, AMF ve SL'nin birlikte uygulanmasının bitki gelişim genleri (Rubisco, TEF) ve savunma genleri (PAL, PR2, PR3, PR4) üzerinde belirgin etkiler yarattığını ortaya koymuştur. PAL ve PR3/PR4 genlerinin ekspresyonu artarken, PR2 geni baskılanmış ve bu durum bitkinin belirli yolaklarını destekleyen bir savunma stratejisi ile hastalığa karşı dayanıklılığı artırmasını sağlamıştır. Toprak sağlığı açısından ise AMF ve SL uygulamalarının topraktaki enzim aktivitelerini (katalaz, üreaz, dehidrogenaz) ve glomalin üretimini artırarak mikrobiyal topluluğu güçlendirdiği ve organik madde döngüsünü iyileştirdiği belirlenmiştir. Bu bulgular, SL ve AMF uygulamalarının kimyasal gübre ve pestisitlere olan bağımlılığı azaltma ve sürdürülebilir tarım uygulamalarını teşvik etme potansiyelinin altını çizmektedirWheat, a crucial agricultural crop globally, faces significant threats from fungal pathogens, particularly Fusarium culmorum (FC), which causes foot and root rot (FRR), as well as Fusarium head blight (FHB). This study investigates the effects of rac-GR24, a synthetic analogue of Strigolactone (SL), and arbuscular mycorrhizal fungi (Funneliformis mosseae, AMF) on plant growth, physiological responses, development of resistance to the disease at the molecular level and soil health in wheat plants against FRR caused by FC. The research utilized FC-sensitive 'Esperia' and resistant 'Demir 2000' wheat varieties. In the preliminary phase, the optimal SL concentrations (0, 1, 5, 10, 15, and 20 μM) and application methods (rhizosphere and foliar) were assessed to identify the synergistic effects with AMF. Analyses of 72 parameters, including plant morphology, chlorophyll content, phosphorus levels, and mycorrhizal symbiosis, indicated that a concentration of 15 μM applied through the rhizosphere was the most effective. The main experiment further detailed the impact of AMF and SL treatments on plant growth and defense mechanisms in both FC-sensitive and resistant wheat varieties. The synergistic effects of SL and AMF resulted in significant improvements in parameters such as plant morphology, chlorophyll content, biochemical activities and phosphorus uptake, which favoured plant health and growth. Especially in the sensitive variety Esperia, a balanced increase in total phenolic content, antioxidant activity and proline levels was achieved and the defence capacity against disease stress was strengthened. Molecular analyses revealed that the co-treatment of AMF and SL significantly influenced the expression of plant development genes (Rubisco, TEF) and defense-related genes (PAL, PR2, PR3, PR4). The expression of PAL and PR3/PR4 genes was upregulated, while PR2 gene expression was downregulated, enabling the plant to enhance its disease resistance through a targeted defense strategy. Regarding soil health, AMF and SL treatments elevated enzyme activities (catalase, urease, dehydrogenase) and increased glomalin production, which in turn fortified the microbial community and improved organic matter cycling. These findings underscore the potential of SL and AMF treatments to diminish the reliance on chemical fertilizers and pesticides, promoting sustainable agricultural practices.