Ускоренный скрининг биологических препаратов на стимуляторы роста, защиту от болезней пшеницы и кукурузы

Бактерии в корневой зоне таких культур, как пшеница, помидоры и кукуруза, производят летучие органические соединения, которые могут вызывать усиленный рост растений и индуцированную системную устойчивость (ISR). ISR помогает растению противостоять стрессам, таким как жара, вредители и нехватка воды. Известно, что салициловая кислота вызывает ISR в растениях-хозяевах. Кредит: Тереза ​​ван Вик. Адаптировано из графика Dubery, Mhlongo et al. в Метаболиты. (10.3390/metabo12080763) creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Исследователи нашли гораздо более быстрый способ скрининга почвенных бактерий как потенциальных биостимуляторов и биопестицидов. Ученые UJ выявили в бактериях в десять раз больше летучих сигнальных соединений по сравнению с самыми последними исследованиями.

Ризобактерии могут защищать сельскохозяйственные культуры от абиотических и биотических стрессов, стимулируя рост и самозащиту растений. Фермеры применяют бактерии в качестве покрытия семян или инокулянтов. «Биопрепараты» безвредны для окружающей среды и могут снизить потребность в химических удобрениях и пестицидах.

Для таких культур, как пшеница, кукуруза и помидоры, полезные для растений бактерии, живущие в их корневой зоне, могут значительно защитить растения и ускорить их рост. Бактериальная защита может быть эффективной и при стрессе растений.

В исследовании, опубликованном в Метаболитыисследователи из Университета Йоханнесбурга (UJ) демонстрируют гораздо более быстрый подход к скринингу бактерий на предмет их потенциального использования в качестве натуральных удобрений и пестицидов.

В лаборатории они вырастили четыре штамма перспективных ризобактерий. Затем они проанализировали сигнальные молекулы, которые бактерии производят с помощью метаболических методов.

Используя новый подход, они обнаружили удивительный набор из 121 различных летучих органических соединений (ЛОС), продуцируемых всего четырьмя штаммами. Это в 10-20 раз больше, чем показывают самые современные опубликованные исследования.

Ускорение естественного роста и защита

Среди 121 ЛОС они обнаружили три формы салициловой кислоты. Эти летучие органические соединения были произведены тремя из четырех штаммов бактерий.

«Мы обнаружили три производных салициловой кислоты: метилсалицилат, изоамилсалицилат и н-гексилсалицилат.

«Салициловая кислота — это растительный гормон, который играет большую роль в росте растений и индукции устойчивости к болезням», — говорит доктор Мсизи Мхлонго. Мхлонго — ведущий автор исследования и старший преподаватель кафедры биохимии UJ.

Метилсалицилат более известен за пределами исследовательских кругов как химическое вещество, стоящее за запахом грушанки, которую добавляют в лосьоны для тела, пластыри от спортивных травм и продукты питания.

«Метилсалицилат летуч и может перемещаться прямо по растению в воздухе. Но это также мобильный сигнал внутри растения — он может передаваться от корней к листьям растения. «Корни могут сказать листьям проснуться». и «триггерная резистентность» — с использованием метилсалицилата. Эта форма резистентности — системная приобретенная резистентность (SAR)», — говорит профессор Ян Дюбери, также из отдела биохимии UJ и руководитель исследования.

Различение сигналов

Исследователи использовали масс-спектрометрию высокого разрешения, чтобы различить 121 молекулу ЛОС.

«Это стало возможным благодаря чувствительности прибора, высокой скорости сканирования и его способности различать молекулярные массы, очень близкие друг к другу. Кроме того, способность программного обеспечения выделять молекулярные пики», — добавляет Мхлонго.

Все три обнаруженные ими формы салициловой кислоты ценны своей способностью вызывать индуцированную системную резистентность (ISR) у некоторых культур. ISR — это управляемая корнями «индуцированная иммунная система», которая помогает растениям защищать себя, когда они подвергаются стрессу или атаке. Фермеры могут повысить ISR в своих посевах с помощью покрытия семян ризобактериями или инокулянтов.

Исследователи из Йоханнесбургского университета обнаружили, что всего четыре штамма ризобактерий в корневой зоне пропашных культур могут производить десятки различных летучих органических соединений. Кредит: Тереза ​​ван Вик. Адаптировано из графика Dubery, Mhlongo et al. в Метаболиты. (10.3390/metabo12080763) creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Скрининг на биостимуляторы

«Мы искали важные сигнальные молекулы, которые выделяют эти бактерии, чтобы вызвать состояние устойчивости у растений», — говорит Дюбери.

«Не все бактерии в ризосфере являются активными индукторами SAR или ISR. Целью этого исследования было выяснить, какие штаммы лучше индуцируют ISR», — добавляет он.

Они использовали южноафриканские штаммы ризобактерий Pseudomonas koreensis, Pseudomonas fluorescens, Lysinibacillus sphaericus и Paenibacillus alvei. Профессор Нико Лабушань из Университета Претории предоставил штаммы из своей коллекции изолятов ризобактерий.

Предыдущие испытания в теплицах, проведенные Labuschagne в Южной Африке, выявили четыре штамма на предмет их биостимуляторного и биопестицидного потенциала для пшеницы, кукурузы и томатов.

«В общем, процесс скрининга бактерий начинается с их выделения из окружающей среды, такой как тип почвы или водно-болотных угодий. Вы можете проверять их на присутствие одной молекулы или группы молекул. путем испытаний в стеклянных домах, затем полевых испытаний, прежде чем выпускать их в продажу», — говорит Дюбери.

Растительный «кишечный биом»

По словам Дюбери, в хороших условиях без особого стресса ризобактерии сотрудничают с растениями и их корнями, так же как кишечные бактерии сотрудничают со своими хозяевами. Ризобактерии позволяют растениям поглощать питательные вещества, такие как азот и фосфор, среди многих других видов деятельности.

Во время абиотических стрессов ризобактерии помогают защитить растения-партнеры. Это может быть недостаток воды, высокие температуры или высокая засоленность почвы. Также при биотических стрессах, таких как заражение грибами, вирусами или патогенными бактериями; или которым угрожают сорняки или другие растения; ризобактерии усиливают химическую защиту растений-партнеров.

Ризобактерии выполняют все это, производя летучие органические соединения (ЛОС), такие как те, которые были идентифицированы исследователями UJ.

ЛОС действуют как коммуникационные сигналы, такие как «призыв о помощи», биохимическая защита и биоудобрения различными способами.

По словам Мхлонго, ризобактерии могут передавать сигналы другим микробам с помощью летучих органических соединений. Микробы могут подавать сигналы растениям. Он добавляет, что растения даже могут подавать сигналы микробам. Ранее они написали всесторонний обзор исследований по этой теме, на основе которого проводится настоящее исследование.

Скрининг перед полевыми испытаниями

Результаты исследования показывают большое количество сигнальных молекул, продуцируемых четырьмя штаммами бактерий. Последующая работа потребует изучения объема, концентрации и постоянства производства.

«По мере того, как проводится больше исследований, подходы к биостимуляторам становятся все более надежными», — говорит Мхлонго.

«Ризобактерии, стимулирующие рост растений (PGPR), зависят от конкретных культур. То, что хорошо работает для помидоров, пшеницы и кукурузы (кукурузы), может не работать для шпината. Такие исследования помогают нам узнать, какие специфичные для растений бактерии будут способствовать росту и вызывать устойчивость, » он добавляет.

Анализ ЛОС, подобный этому исследованию, может создать «биомаркеры» для будущих исследований, добавляет Мхлонго. В качестве примера можно определить три формы салициловой кислоты, которые они обнаружили в этом исследовании, как биомаркер для индуцированной устойчивости растений SAR и ISR.

Затем, при скрининге других ризобактерий на предмет индукции устойчивости растений, нет необходимости проводить испытания в теплицах или полевые испытания, чтобы исключить не-стартеры. Вместо этого можно провести аналогичный анализ летучих органических соединений этих бактерий, используя масс-спектрометрию высокого разрешения. Это позволяет на раннем этапе исключить штаммы или комбинации штаммов, которые не продуцируют желаемую группу молекул, таких как различные формы салициловой кислоты.

Предоставлено Университетом Йоханнесбурга