DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2024.1534761
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39902290
تاريخ النشر: 2025-01-20
المؤلف: Waquar Akhter Ansari وآخرون
الموضوع الرئيسي: تفاعلات النباتات والميكروبات والمناعة
نظرة عامة
تبحث الدراسة في تأثير بكتيريا تعزيز نمو النباتات (PGPB) على التخفيف من مرض الذبول في الطماطم الذي تسببه العامل الممرض Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici (Fol). تم اختبار أربعة سلالات من PGPB—Pseudomonas aeruginosa BHUPSB01 (T1)، Pseudomonas putida BHUPSB04 (T2)، Paenibacillus polymyxa BHUPSB16 (T3)، وBacillus cereus IESDJP-V4 (T4)—لفعاليتها في تقليل شدة المرض. أظهرت النتائج أن جميع علاجات PGPB قللت بشكل كبير من حدوث ذبول Fusarium، حيث أظهر T3 التأثير الوقائي الأكثر أهمية، مما أدى إلى تكرار مرض يبلغ فقط 15.25%. ومن الجدير بالذكر أن العلاجات T3 وT4 أظهرت أيضًا تسربًا أقل للإلكتروليتات ومستويات منخفضة من بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂) ومالونديالديهايد (MDA)، إلى جانب زيادة تراكم البرولين وتعزيز أنشطة الإنزيمات المضادة للأكسدة مثل الكاتالاز (CAT) والبيروكسيداز (POD) وسوبر أكسيد ديسموتاز (SOD).
تخلص الدراسة إلى أن سلالات PGPB تحفز بشكل فعال نباتات الطماطم، مما يؤدي إلى تحفيز المقاومة النظامية ضد ذبول Fusarium. إن التعبير المرتفع عن البروتينات والإنزيمات المتعلقة بالدفاع، بما في ذلك فينيل ألانين أمونيا ليز (PAL) وأكسيد البولي فينول (PPO)، يدعم تطوير المقاومة المكتسبة النظامية (SAR). تؤكد هذه النتائج على إمكانية استخدام PGPB كبديل صديق للبيئة للمبيدات الكيميائية، مما يعزز التنوع البيولوجي في التربة ويعزز الممارسات الزراعية المستدامة بينما يحسن مقاومة الطماطم للعوامل الممرضة.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على أهمية الطماطم (Solanum lycopersicum) كمحصول حيوي بسبب قيمته الغذائية وأهميته الاقتصادية. ومع ذلك، تواجه زراعة الطماطم تحديات شديدة من العوامل الممرضة الفطرية، وخاصة Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici (Fol)، الذي يسبب ذبول Fusarium. يمكن أن يؤدي هذا المرض إلى خسائر كبيرة في المحاصيل، تتراوح من 30% إلى 80%، اعتمادًا على الظروف. يقوم العامل الممرض بعرقلة نقل المياه في النبات عن طريق انسداد أوعية الخشب، مما يؤدي إلى الذبول وموت النبات.
لمكافحة هذه المشكلة، زاد الاهتمام باستخدام الميكروبات المفيدة كعوامل للتحكم البيولوجي (BCAs). يمكن أن تعزز هذه الكائنات الحية الدقيقة نمو النبات، وتحفز المقاومة النظامية، وتثبط نمو العوامل الممرضة من خلال آليات مختلفة، بما في ذلك إنتاج مركبات مضادة للفطريات والتنافس على الموارد. تهدف الدراسة إلى التحقيق في الآليات الجزيئية التي تؤثر بها الكائنات الحية الدقيقة المعززة لنمو النباتات (PGPMs) على استجابات الدفاع في نباتات الطماطم ضد Fol. على وجه التحديد، تقيم التعبير عن الجينات المتعلقة بالدفاع ونشاط إنزيمات مضادة للأكسدة في الطماطم المعالجة مسبقًا بـ PGPMs عند مواجهتها لاحقًا بالعامل الممرض. تسعى هذه البحث إلى سد الفجوات المعرفية الموجودة بشأن التفاعلات بين PGPMs ومسارات الإشارة الدفاعية للنبات، والتي تعتبر حاسمة لتطوير ممارسات زراعية مستدامة.
طرق
في هذه الدراسة، شمل التصميم التجريبي عدة علاجات لتقييم تأثيرات التلقيح المشترك للبكتيريا على نباتات الطماطم التي تعرضت للعامل الممرض Fol. تضمنت العلاجات مجموعة تحكم غير ملقحة، ونباتات تعرضت للعامل الممرض Fol، وأربع مجموعات إضافية حيث تم تلقيح نباتات تعرضت لـ Fol مع سلالات بكتيرية مختلفة: Pseudomonas aeruginosa BHUPSB01 (T1)، Pseudomonas putida BHUPSB04 (T2)، Paenibacillus polymyxa BHUPSB16 (T3)، وBacillus cereus IESDJP-V4 (T4). تم دمج العامل الممرض Fol في خليط التربة بتركيز 5 جرام/كجم من التربة، وفقًا لـ Zeyad et al. (2022)، وتم زراعة نباتات الطماطم في مشتل عمرها 30 يومًا في هذا الخليط.
لعملية التحفيز البيولوجي، تم استخدام طريقة غمر الجذور، حيث تم غمر النباتات في تعليق بكتيري لمدة 30 دقيقة قبل الزراعة، بينما تم معالجة نباتات التحكم بمحلول فوسفات معقم. تم إجراء التجارب في دفيئة مع ظروف حرارة ورطوبة مضبوطة. تم تكرار كل علاج ثلاث مرات، مما أدى إلى تسعة أصص إجمالاً، مع زراعة كل شتلة في خليط من التربة والرمل المعقم (نسبة 4:1). بعد 30 يومًا من الزراعة، تم جمع عينات من الأوراق من كل مجموعة علاج، وغسلها، وتخزينها في -80 درجة مئوية للتحليل الكيميائي الحيوي لاحقًا.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من الإجراءات التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى أن الفرضية الأساسية كانت مدعومة، حيث كشفت التحليلات الإحصائية عن وجود علاقة قوية بين المتغيرات قيد التحقيق. على وجه التحديد، تظهر النتائج أن التدخل أدى إلى تحسين قابل للقياس في النتائج المستهدفة، كما يتضح من أحجام التأثير المبلغ عنها والقيم p.
بالإضافة إلى ذلك، يتضمن القسم تمثيلات بيانية للبيانات، والتي توضح المزيد من الاتجاهات الملاحظة. تعزز هذه المساعدات البصرية من فهم النتائج، مما يظهر تمييزًا واضحًا بين مجموعات التحكم والتجريب. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة في هذا المجال، مما يقترح تطبيقات محتملة واتجاهات للبحث المستقبلي.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم أربعة سلالات من الكائنات الحية الدقيقة المعززة لنمو النباتات (PGPMs) من حيث قدرتها على تعزيز مقاومة نباتات الطماطم ضد مرض الذبول الذي تسببه Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici (Fol). تم اختيار السلالات، بما في ذلك *Pseudomonas aeruginosa* و*Bacillus cereus*، بناءً على خصائصها المضادة لـ Fol. أظهرت النتائج أن التحفيز البيولوجي باستخدام هذه PGPMs قلل بشكل كبير من حدوث المرض، حيث أظهر سلالة *T3* التأثير الأكثر أهمية، مما خفض حدوث المرض إلى 15.25% مقارنة بـ 87.46% في مجموعة التحكم. بالإضافة إلى ذلك، كشفت التقييمات الشكلية أن النباتات المعالجة بـ PGPM أظهرت ارتفاعًا أكبر، ووزنًا طازجًا وجافًا أكبر، وإنتاجية فاكهة أعلى مقارنة بتلك التي تعرضت فقط لـ Fol.
أظهرت التحليلات الفيزيولوجية والكيميائية الحيوية أيضًا أن علاجات PGPM حسنت محتوى الماء النسبي وقللت من تسرب الإلكتروليتات، مما يشير إلى تعزيز سلامة الغشاء. كان تراكم أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) ومالونديالديهايد (MDA) أقل في النباتات المعالجة بـ PGPM، مما يشير إلى تقليل الإجهاد التأكسدي. علاوة على ذلك، كانت أنشطة إنزيمات مضادة للأكسدة الرئيسية مثل سوبر أكسيد ديسموتاز (SOD) والكاتالاز (CAT) مرتفعة بشكل كبير في النباتات المعالجة بـ PGPM، مما يتوافق مع زيادة التعبير عن الجينات المتعلقة بالدفاع. تؤكد هذه النتائج على دور PGPMs في تحفيز المقاومة المكتسبة النظامية (SAR) وتعزيز صحة النبات بشكل عام، مما يوفر استراتيجية واعدة لإدارة ذبول Fusarium في الطماطم.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2024.1534761
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39902290
Publication Date: 2025-01-20
Author(s): Waquar Akhter Ansari et al.
Primary Topic: Plant-Microbe Interactions and Immunity
Overview
The research investigates the impact of plant growth-promoting bacteria (PGPB) on mitigating wilt disease in tomatoes caused by the pathogen Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici (Fol). Four PGPB strains—Pseudomonas aeruginosa BHUPSB01 (T1), Pseudomonas putida BHUPSB04 (T2), Paenibacillus polymyxa BHUPSB16 (T3), and Bacillus cereus IESDJP-V4 (T4)—were tested for their efficacy in reducing disease severity. Results indicated that all PGPB treatments significantly decreased the incidence of Fusarium wilt, with T3 exhibiting the most substantial protective effect, resulting in a disease frequency of only 15.25%. Notably, treatments T3 and T4 also demonstrated lower electrolyte leakage and reduced levels of hydrogen peroxide (H₂O₂) and malondialdehyde (MDA), alongside increased proline accumulation and enhanced activities of antioxidative enzymes such as catalase (CAT), peroxidase (POD), and superoxide dismutase (SOD).
The study concludes that PGPB strains effectively prime tomato plants, inducing systemic resistance against Fusarium wilt. The elevated expression of defense-related proteins and enzymes, including phenylalanine ammonialyase (PAL) and polyphenol oxidase (PPO), supports the development of systemic acquired resistance (SAR). These findings underscore the potential of PGPB biopriming as an eco-friendly alternative to chemical pesticides, enhancing soil biodiversity and promoting sustainable agricultural practices while improving tomato resistance to pathogens.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significance of the tomato (Solanum lycopersicum) as a vital crop due to its nutritional value and economic importance. However, the cultivation of tomatoes faces severe challenges from fungal pathogens, particularly Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici (Fol), which causes Fusarium wilt. This disease can lead to substantial crop losses, ranging from 30% to 80%, depending on conditions. The pathogen disrupts water transport in the plant by blocking xylem vessels, resulting in wilting and plant death.
To combat this issue, the use of beneficial microbes as biocontrol agents (BCAs) has gained attention. These microorganisms can enhance plant growth, induce systemic resistance, and inhibit pathogen growth through various mechanisms, including the production of antifungal compounds and competition for resources. The study aims to investigate the molecular mechanisms by which plant growth-promoting microorganisms (PGPMs) influence the defense responses of tomato plants against Fol. Specifically, it evaluates the expression of defense-related genes and the activity of antioxidant enzymes in tomatoes pre-treated with PGPMs when subsequently challenged by the pathogen. This research seeks to fill existing knowledge gaps regarding the interactions between PGPMs and plant defense signaling pathways, which are crucial for developing sustainable agricultural practices.
Methods
In this study, the experimental design involved several treatments to assess the effects of bacterial co-inoculation on Fol pathogen-challenged tomato plants. The treatments included an uninoculated control, plants challenged with the Fol pathogen, and four additional groups where Fol-challenged plants were co-inoculated with different bacterial strains: Pseudomonas aeruginosa BHUPSB01 (T1), Pseudomonas putida BHUPSB04 (T2), Paenibacillus polymyxa BHUPSB16 (T3), and Bacillus cereus IESDJP-V4 (T4). The Fol pathogen was incorporated into the potting mixture at a concentration of 5 g/kg soil, as per Zeyad et al. (2022), and 30-day-old nursery tomato plants were transplanted into this mixture.
For biopriming, the root dipping method was employed, where the plants were immersed in a bacterial suspension for 30 minutes prior to transplanting, while control plants were treated with a sterilized phosphate buffer. The experiments were conducted in a greenhouse with controlled temperature and humidity conditions. Each treatment was replicated three times, resulting in nine pots total, with each seedling planted in a sterilized soil-sand mixture (4:1 ratio). After 30 days post-transplanting, leaf samples from each treatment group were collected, washed, and stored at -80°C for subsequent biochemical analysis.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experimental or analytical procedures employed. The data indicate that the primary hypothesis was supported, with statistical analyses revealing a strong correlation between the variables under investigation. Specifically, the results demonstrate that the intervention led to a measurable improvement in the target outcomes, as evidenced by the reported effect sizes and p-values.
Additionally, the section includes graphical representations of the data, which further illustrate the trends observed. These visual aids enhance the understanding of the results, showing clear distinctions between control and experimental groups. Overall, the findings contribute valuable insights into the field, suggesting potential applications and directions for future research.
Discussion
In this study, four strains of plant growth-promoting microorganisms (PGPMs) were evaluated for their potential to enhance tomato plant resistance against the wilt disease caused by Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici (Fol). The strains, including *Pseudomonas aeruginosa* and *Bacillus cereus*, were selected based on their antagonistic properties against Fol. The results indicated that biopriming with these PGPMs significantly reduced disease incidence, with the *T3* strain showing the most substantial effect, lowering disease incidence to 15.25% compared to 87.46% in the control group. Additionally, morphological assessments revealed that PGPM-treated plants exhibited greater height, fresh and dry weight, and fruit yield compared to those solely challenged by Fol.
Physiological and biochemical analyses further demonstrated that PGPM treatments improved relative water content and reduced electrolyte leakage, indicating enhanced membrane integrity. The accumulation of reactive oxygen species (ROS) and malondialdehyde (MDA) was lower in PGPM-treated plants, suggesting reduced oxidative stress. Furthermore, the activities of key antioxidant enzymes such as superoxide dismutase (SOD) and catalase (CAT) were significantly elevated in PGPM-treated plants, correlating with increased expression of defense-related genes. These findings underscore the role of PGPMs in inducing systemic acquired resistance (SAR) and enhancing overall plant health, thereby providing a promising strategy for managing Fusarium wilt in tomatoes.