Characterization of morphophysiological root traits related to mechanisms of phosphorus acquisition in sorghum

A baixa disponibilidade de fósforo no solo é um dos principais fatores que restringem o desenvolvimento e a produção das plantas. Para a adaptação a estes ambientes as plantas desenvolveram mecanismos que variam entre espécies e entre genótipos. A capacidade das plantas em explorar o solo, converter formas não utilizáveis em absorvíveis, formar associação com fungos micorrízicos, entre outras características, podem determinar a eficiência das plantas nestes ambientes. Este trabalho teve como objetivo avaliar características morfofisiológicas radiculares relacionadas aos mecanismos de aquisição de fósforo em linhagens de sorgo pertencentes ao programa de melhoramento de sorgo da Embrapa. Foram caracterizadas nove linhagens, quanto à morfologia do sistema radicular cultivadas em solos apresentando dois níveis de fósforo (5 e 20 mg dm-3), e quatro linhagens quanto à exsudação de compostos pertencentes ao grupo das estrigolactonas. Para as características do sistema radicular avaliadas não foi verificada a interação entre genótipo e ambiente. Diferenças significativas entre os ambientes com alto e baixo fósforo foram verificadas para as características comprimento total de raiz (CTR), área de superfície total de raiz (ATR), diâmetro médio de raiz (DMR), número de ramificações (NR), comprimento de raiz muito fina (CRMF), área de superfície de raiz muito fina (ARMF), massa seca de raiz (MSR), massa seca de raiz/massa seca de parte aérea (MSR/MSPA), comprimento específico (CE), finura de raiz (FR) e densidade de tecido de raiz (DeTR). Para as características diâmetro médio de raiz (DMR), comprimento de raiz grossa (CRG), área de superfície de raiz grossa (ARG), área de superfície de raiz fina (ARF), massa seca de parte aérea (MSPA), MSR, massa seca total (MST) e FR os genótipos apresentaram diferenças significativas independentemente do nível de fósforo onde elas foram cultivadas. As linhagens apresentaram diferenças significativas para as características DMR, CRG, ARG, MSPA, MSR, MST e FR apenas no canteiro contendo alta disponibilidade de fósforo. Quando cultivadas em baixo fósforo verifica-se que existem diferenças significativas entre as elas para as características CTR, ATR, NR, CRMF, CRF, ARMF e ARF. Existe variabilidade genética para CTR, CRMF, CRF, ATR, ARMF, ARF e NR quando as plantas são cultivadas em baixa disponibilidade de fósforo, podendo ser de grande utilidade como parâmetros para seleção nos programas de melhoramento de sorgo. O comprimento e a área de superfície das raízes apresentaram-se mais importantes na adaptação das plantas em baixa disponibilidade de fósforo que o volume e o diâmetro médio das raízes. Diferentes mecanismos de aquisição de fósforo podem estar atuando nos ambientes de baixa e alta disponibilidade de fósforo. A característica DeTR foi bem informativa em relação à eficiência das linhagens em baixo fósforo. As linhagens caracterizadas quanto à exsudação de compostos foram crescidas em sistema de cultivo ausente de fósforo. Análises de cromatografia líquida de alta eficiência e de cromatografia gasosa acoplada a espectrômetro de massas indicaram diferenças na quantidade liberada de um composto isolado nos exsudados totais, o qual apresentou características moleculares que sugerem que ele é um dos compostos sinalizadores para colonização de fungos micorrízicos (estrigolactonas). Das quatro linhagens estudadas, a BR007B foi a que apresentou maiores quantidades de exsudados totais, sendo que ela foi 2,8 vezes maior que a linhagem SC283, que menos exsudou. Assim, há resposta fisiológica diferenciada entre linhagens de sorgo cultivadas em ambientes ausentes de fósforo, sendo fortes as indicações para existência de variabilidade genética entre as linhagens de sorgo estudadas para exsudação de compostos relatados como sinalizadores para a colonização de fungos micorrízicos.Low availability of phosphorus in the soil is one of the principal limiting factors in plant development and plant production. Plants have developed adaptive mechanisms for these environments that vary between species and between genotypes within a species. The capacity of plants to explore the soil, transform unusable forms to usable forms, develop relationships with mycorrhiza fungi, etc., influence the efficiency of plants in these environments. The objective of this study was to evaluate morphophysiological root characteristics related to mechanisms of phosphorus acquisition in sorghum lines of the sorghum improvement program at Embrapa Maize and Sorghum. Nine lines were used to study the root system in a soil with two levels of phosphorus (5 and 20 mg dm-3), and four lines were used to study the composition of strigolactone derivatives of root exudates. No significant interactions were found between genotypes and phosphorus level in the soil for the root morphological characteristics studied. Significant differences for the root characteristics: total root length (CTR), total root surface area (ATR), mean root diameter (DMR), number of root branches (NR), very fine root length (CRMF), root surface area of very fine roots (ARMF), root dry weight (MSR), dry weight root/plant dry weight ratio (MSR/MSPA) specific root length (CE), fineness of root (FR) and root tissue density (DeTR) between high and low phosphorus levels were observed. Significant differences between genotypes independently of the phosphorus level were observed for: DMR, length of thick roots (CRG), surface area of thick roots (ARG), surface area of fine roots (ARF), plant dry weight (MSPA), MSR, total plant dry weight (MST) and root fineness FR. Significant differences among the line in the plots with high phosphorus were observed for DMR, CRG, ARG, MSPA, MSR, MST, and FR, but not in the plots with low phosphorus. Significant differences between genotypes in the low phosphorus plots were only observed for CTR, ATR, NR, CRMF, CRF, ARMF, and ARF. Genetic variability was observed CTR, CRMF, CRF, ATR, ARMF, ARF e NR at low phosphorus levels and could be useful parameters for selection in sorghum improvement programs. Root length and root surface area appear to be more important for plant adaptation to low levels of phosphorus than root volume and root diameter. Different mechanisms of phosphorus acquisition may be occurring in environments with low and high phosphorus availability. Root tissue density was one of the most useful parameters related to plant productivity at low phosphorus. Four lines were characterized for root exudation components at low phosphorus. High performance liquid chromatography (HPLC) and coupling gas chromatography to mass spectrometry were used to analyze the compost isolated from root exudates from each line. Differences were observed between lines for what appears to be sorgolactone (strigolactone), a substance that is associated with signaling the colonization of mycorrhiza fungi. BR0007B, one of the four lines evaluated, had the highest quantity of total exudates, being 2.8 times greater than the line SC283, with the least amount. These physiological differences between the lines grown in a medium without phosphorus strongly support the presence of genetic variability in sorghum for the ability of the plant to induce (signal) mycorrhiza colonization