Rola bakterii izolowanych z ryzosfery wybranych roślin bobowatych z farm organicznych w promocji wzrostu Medicago truncatula Gaertn. oraz w indukcji ekspresji genów związanych z odpornością na patogeny grzybowe

Streszczenie

U 72 izolatów bakteryjnych z ryzosfery i brodawek korzeniowych roślin strączkowych uprawianych w gospodarstwach ekologicznych, przebadano zdolność do promowania wzrostu roślin i zidentyfikowano 38 wybranych izolatów, które reprezentowały 17 szczepów z rodzin: Enterobacteriaceae, Pseudomonadaceae, Xanthomonadaceae, Rhizobiaceae, Bacillaceae i Alcaligenaceae. Testy doniczkowe wykazały, że 13 szczepów, wytwarzających związki indolowe w warunkach in vitro, zwiększa masę Medicago truncatula. System korzeniowy roślin szczepionych bakteriami charakteryzował się bardziej rozbudowaną architekturą. 24-godzinna inokulacja korzeni 3 wybranymi szczepami zwiększyła populację jąder w fazach G1 i S, zmniejszyła ją w fazie G2 i zwiększyła ekspresję genu WOX5 w korzeniach. Zaobserwowano, że „zatrzymanie” jąder w fazie S i wzmocnienie ekspresji genu WOX5 zanikało po spłukaniu zawiesiny bakteryjnej.

Następnie wybrano bakterie: Pseudomonas fluorescens (Ms9N, bez aktywności chitynolitycznej) i Stenotrophomonas maltophilia (Ll4, mająca aktywność chitynolityczną) do testów potencjalnego działania jako biofungicydy. W doświadczeniu in vitro stwierdzono ich hamujący wpływ na patogeniczne grzyby: Fusarium culmorum Cul-3, F. oxysporum 857 i F. oxysporum f. sp. medicaginis szczep CBS 179.29. S. maltophilia bardziej hamował wzrost grzybni 2 z 3 szczepów Fusarium. Obie bakterie wykazywały aktywność β-1,3-glukanazy, która jest około 5-krotnie wyższa u P.  fluorescens. Po potraktowaniu gleby zawiesiną bakteryjną, obserwowano u M. truncatula zwiększenie ekspresji genów kodujących czynniki transkrypcyjne związane z odpornością z rodzin MYB i WRKY. Zaobserwowane efekty zależały od gatunku bakterii i organu rośliny. Obydwie bakterie, spowodowały wzrost ekspresji genów kodujących chitynazy, glukanazy i amoniakoliazę fenyloalaniny.

Podsumowując, brodawki i ryzosfera roślin strączkowych uprawianych w gospodarstwach ekologicznych są bogatym źródłem PGPR i dostarczają nowych danych dotyczących zdolności tych bakterii do ingerowania w cykl komórkowy i ekspresję genów podczas rozwoju korzeni. Ponadto prezentowane badania sugerują, że Pseudomonas fluorescens i Stenotrophomonas maltophilia mogą być kandydatami do sporządzenia inokulum, ze względu na ich zdolność do bezpośredniego hamowania in vitro wzrostu grzybów z rodzaju Fusarium oraz pośredniego poprzez zwiększenie ekspresji genów związanych z odpowiedzią systemiczną roślin.

Summary

The ability to promote plant growth was tested in 72 bacterial isolates from the rhizosphere and root nodules of legumes grown on organic farms and 38 selected isolates were identified, representing 17 strains. Pot tests showed that 13 strains increased the mass of Medicago truncatula. The root system of plants vaccinated with bacteria had more extensive architecture. 24-hour root inoculation with 3 strains increased the nuclei population in the G1 and S phases, decreased it in the G2 phase, and increased WOX5 gene expression in the roots. It was observed that the "arrest" of nuclei in the S phase and the enhancement of WOX5 gene expression disappeared after rinsing the bacteria.

Then, Pseudomonas fluorescens (without chitinolytic activity) and Stenotrophomonas maltophilia (with chitinolytic activity) were selected for tests of their potential activity as biofungicides. In vitro experiments showed their inhibitory effect on 3 pathogenic Fusarium fungi. S. maltophilia inhibited the mycelium growth of 2 out of 3 Fusarium strains more. Both bacteria showed β-1,3-glucanase activity, which is 5-fold higher in P. fluorescens. After treating the soil with a bacteria, an increase in the expression of genes encoding immunity-related transcription factors from MYB and WRKY families was observed. Both bacteria caused an increase in the expression of genes encoding chitinases, glucanases and phenylalanine ammoniacolyase.

In summary, the nodules and rhizosphere of legumes grown on organic farms are a rich source of PGPR and provide new data on the ability of these bacteria to interfere with the cell cycle and gene expression during root development. Moreover, the presented research suggests that Pseudomonas fluorescens and Stenotrophomonas maltophilia may be candidates for the preparation of inoculum due to their ability to directly inhibit the growth of Fusarium fungi in vitro and indirectly by increasing the expression of genes related to the systemic response of plants.