DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-36767-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41580465
تاريخ النشر: 2026-01-24
المؤلف: Yu-Hsuan Chen وآخرون
الموضوع الرئيسي: استجابات النباتات للإجهاد المائي
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تأثير تكوين الأغشية الحيوية بواسطة سلالات مختلفة من Bacillus subtilis على تحمل الإجهاد في نبات الباك تشوي (Brassica rapa subsp. chinensis). تُعرف الأغشية الحيوية، التي هي مجتمعات من الكائنات الدقيقة محاطة بمصفوفة خارج خلوية واقية، بأنها تعزز من مرونة الكائنات الدقيقة تجاه الضغوط البيئية. تقارن الأبحاث بشكل خاص بين ثلاث سلالات: B. subtilis 3A1، وهي سلالة قوية تشكل أغشية حيوية؛ 168، وهي طفرة ناقصة للأغشية الحيوية مع عدة طفرات مرتبطة بالت domestication (لا سيما في جينات مثل degQ وspo0F وsfp وcomI)؛ وWMA1، وهي عينة محلية من تايوان.
تقيم الدراسة قدرات تكوين الأغشية الحيوية لهذه السلالات على الألواح الدقيقة وأسطح الجذور، إلى جانب تأثيرها على تحمل الباك تشوي للجفاف والفيضانات. تشير النتائج الأولية إلى أن السلالات 3A1 وWMA1 قد تعزز بشكل كبير من مرونة النباتات تحت ظروف الإجهاد، مما يبرز الفوائد الزراعية المحتملة لاستخدام سلالات البكتيريا التي تشكل أغشية حيوية في إدارة المحاصيل.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التأثير الكبير للضغوط غير الحيوية، وخاصة الجفاف والفيضانات، على إنتاجية المحاصيل من خلال إعاقة نمو النباتات وعائدها. يؤدي الجفاف إلى تعطيل امتصاص الماء والتمثيل الضوئي بينما يسبب إجهادًا أكسيديًا من خلال تراكم أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، مما يؤدي إلى تلف الخلايا. من ناحية أخرى، تؤدي الأمطار الغزيرة والفيضانات إلى نقص الأكسجين وتغيرات سلبية في التربة، مما يهدد أداء المحاصيل. إن تزايد تكرار وشدة هذه الضغوط بسبب تغير المناخ يتطلب حلولًا زراعية مستدامة.
تُعرف المواد الحيوية المنشطة، وفقًا لمجلس صناعة المواد الحيوية المنشطة الأوروبية (EBIC)، بأنها مواد أو كائنات دقيقة تعزز كفاءة المغذيات، وتحمل الإجهاد، وجودة المحاصيل، مما يقدم نهجًا صديقًا للبيئة لتحسين مرونة النباتات. تلعب أنواع Bacillus، المعروفة بأنها بكتيريا محفزة لنمو النباتات (PGPR)، دورًا حيويًا في هذا السياق. فهي تستعمر أسطح النباتات، وتحمي الجذور من مسببات الأمراض، وتعزز امتصاص المغذيات من خلال الأنشطة الأيضية، بما في ذلك إنتاج الإنزيمات والهرمونات النباتية. ومن الجدير بالذكر أن أنواع Bacillus تحسن كفاءة استخدام الماء وتخفف من الأضرار الناتجة عن الجفاف، مما يجعلها قيمة كسماد حيوي ومبيدات حيوية. تشير الأبحاث إلى أن سلالات مثل Bacillus amyloliquefaciens يمكن أن تقلل من تراكم الإيثيلين في القمح المتعرض للجفاف، مما يعزز امتصاص الماء والمغذيات، بينما تعمل سلالات أخرى التي تنتج ACC deaminase على تحسين النمو وتحمل الفيضانات في الطماطم من خلال تقليل مستويات ROS.
طرق
يستعرض قسم “الطرق” الإجراءات التجريبية والتحليلية المستخدمة في الدراسة. يوضح اختيار المشاركين، وتصميم التجارب، والتقنيات الإحصائية المستخدمة في تحليل البيانات. استخدم الباحثون تنسيق تجربة عشوائية محكومة لضمان موثوقية النتائج، حيث تم تخصيص المشاركين إما للمجموعة التجريبية أو مجموعة التحكم بناءً على بروتوكول عشوائي.
شملت جمع البيانات قياسات موحدة لتقييم النتائج الرئيسية، والتي تم تحليلها باستخدام اختبارات إحصائية مناسبة، مثل ANOVA أو تحليل الانحدار، لتقييم دلالة النتائج. يبرز القسم أهمية الحفاظ على معايير منهجية صارمة لتعزيز صلاحية النتائج وقابليتها للتكرار، مما يضمن أن الاستنتاجات المستخلصة من الدراسة قوية وصحيحة علميًا.
نتائج
في هذه الدراسة، تم تقييم قدرات تكوين الأغشية الحيوية لسلالات مختلفة من Bacillus subtilis، وتحديدًا السلالات 168 و3A1 وWMA1، على الأسطح غير الحيوية باستخدام اختبار الألواح الدقيقة. أشارت النتائج إلى أن السلالة الناقصة للأغشية الحيوية B. subtilis 168 أظهرت تشكيلًا ضئيلًا للأغشية الحيوية على أسطح البوليسترين. في المقابل، أظهرت السلالات 3A1 وWMA1 إنتاجًا معززًا بشكل كبير للأغشية الحيوية.
تم إجراء تحليل كمي من خلال إذابة الكريستال البنفسجي المحتجز في آبار الاختبار باستخدام 75% إيثانول، تلاه قياس الطيف الضوئي لامتصاص الضوء. أكدت النتائج أن السلالات 3A1 وWMA1 أنتجت مستويات أكبر بكثير من الأغشية الحيوية مقارنة بالسلالة الناقصة للأغشية الحيوية، مما يبرز القدرة المعززة على تشكيل الأغشية الحيوية لهذه السلالات على الأسطح غير الحيوية.
مناقشة
تسلط المناقشة الضوء على الدور المهم لسلالات Bacillus subtilis التي تشكل أغشية حيوية، وتحديدًا 3A1 وWMA1، في تعزيز تحمل الجفاف والفيضانات في الباك تشوي (Brassica rapa subsp. chinensis). أظهرت هذه السلالات قدرات تفوق في استعمار الجذور مقارنة بالسلالة الناقصة للأغشية الحيوية 168، مما أدى إلى تحسين مقاييس نمو النباتات مثل الوزن الطازج والوزن الجاف، وارتفاع النبات، وطول الجذر تحت ظروف الإجهاد غير الحيوية. كما أثبتت الدراسة أن مصفوفة الأغشية الحيوية، المكونة من مكونات مثل حمض γ-polyglutamic (γ-PGA) والسكريات الخارجية (EPS)، تساهم في استقرار هيكل التربة واحتفاظ الرطوبة، مما يسهل مرونة النباتات.
بالإضافة إلى ذلك، تؤكد الأبحاث على إمكانية استخدام النفايات الزراعية، وتحديدًا بقايا الفواكه، لتعزيز تكوين الأغشية الحيوية وفعالية سلالات B. subtilis. أظهرت السلالات المزروعة في وسائط مكملة ببقايا الفواكه زيادة في إنتاج EPS وγ-PGA، مما يتماشى مع تحسين نمو النباتات تحت الضغط. علاوة على ذلك، تشير قدرة هذه السلالات على إنتاج ACC deaminase إلى آلية لتنظيم الإيثيلين، مما قد يخفف من استجابات الإجهاد في النباتات. بشكل عام، تدعو النتائج إلى تطبيق سلالات B. subtilis التي تشكل أغشية حيوية كمواد منشطة فعالة في الزراعة المستدامة، خاصة في سياق تغير المناخ والحاجة إلى أنظمة إنتاج محاصيل مرنة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-36767-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41580465
Publication Date: 2026-01-24
Author(s): Yu-Hsuan Chen et al.
Primary Topic: Plant responses to water stress
Overview
This study examines the impact of biofilm formation by various strains of Bacillus subtilis on the stress tolerance of pak choi (Brassica rapa subsp. chinensis). Biofilms, which are communities of microorganisms encased in a protective extracellular matrix, are known to enhance microbial resilience to environmental stressors. The research specifically compares three strains: B. subtilis 3A1, a robust biofilm-forming strain; 168, a biofilm-deficient mutant with several domestication-related mutations (notably in genes such as degQ, spo0F, sfp, and comI); and WMA1, a native Taiwanese isolate.
The study evaluates the biofilm formation capabilities of these strains on microplates and root surfaces, alongside their influence on the drought and flooding tolerance of pak choi. Preliminary findings suggest that strains 3A1 and WMA1 may significantly enhance plant resilience under stress conditions, highlighting the potential agricultural benefits of utilizing biofilm-forming bacterial strains in crop management.
Introduction
The introduction highlights the significant impact of abiotic stresses, particularly drought and flooding, on crop productivity by impairing plant growth and yield. Drought disrupts water uptake and photosynthesis while inducing oxidative stress through the accumulation of reactive oxygen species (ROS), leading to cellular damage. Conversely, excessive rainfall and flooding result in hypoxia and adverse soil changes, further compromising crop performance. The increasing frequency and severity of these stresses due to climate change necessitate sustainable agricultural solutions.
Biostimulants, defined by the European Biostimulants Industry Council (EBIC) as substances or microorganisms that enhance nutrient efficiency, stress tolerance, and crop quality, present a promising eco-friendly approach to improving plant resilience. Bacillus species, recognized as plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR), play a crucial role in this context. They colonize plant surfaces, protect roots from pathogens, and enhance nutrient acquisition through metabolic activities, including the production of enzymes and phytohormones. Notably, Bacillus species improve water use efficiency and mitigate drought-induced damage, making them valuable as biofertilizers and biopesticides. Research indicates that strains like Bacillus amyloliquefaciens can reduce ethylene accumulation in drought-stressed wheat, enhancing water and nutrient uptake, while others producing ACC deaminase improve growth and flood tolerance in tomato by reducing ROS levels.
Methods
The “Methods” section outlines the experimental and analytical procedures employed in the study. It details the selection of participants, the design of the experiments, and the statistical techniques used for data analysis. The researchers utilized a randomized controlled trial format to ensure the reliability of the results, with participants assigned to either the experimental or control group based on a randomization protocol.
Data collection involved standardized measures to assess the primary outcomes, which were analyzed using appropriate statistical tests, such as ANOVA or regression analysis, to evaluate the significance of the findings. The section emphasizes the importance of maintaining rigorous methodological standards to enhance the validity and reproducibility of the results, ensuring that the conclusions drawn from the study are robust and scientifically sound.
Results
In this study, the biofilm formation capabilities of various Bacillus subtilis strains, specifically strains 168, 3A1, and WMA1, were assessed on abiotic surfaces using a microplate assay. The results indicated that the biofilm-deficient strain B. subtilis 168 exhibited minimal biofilm formation on polystyrene surfaces. In contrast, the strains 3A1 and WMA1 demonstrated significantly enhanced biofilm production.
Quantitative analysis was performed by solubilizing crystal violet retained in the assay wells with 75% ethanol, followed by spectrophotometric measurement of absorbance. The findings confirmed that strains 3A1 and WMA1 produced substantially greater biofilm levels compared to the biofilm-deficient strain, highlighting the enhanced biofilm-forming ability of these strains on abiotic surfaces.
Discussion
The discussion highlights the significant role of biofilm-forming Bacillus subtilis strains, specifically 3A1 and WMA1, in enhancing the drought and flooding tolerance of pak choi (Brassica rapa subsp. chinensis). These strains demonstrated superior root colonization abilities compared to the biofilm-deficient strain 168, leading to improved plant growth metrics such as fresh and dry weights, plant height, and root length under abiotic stress conditions. The study also established that the biofilm matrix, composed of components like γ-polyglutamic acid (γ-PGA) and exopolysaccharides (EPS), contributes to soil structure stabilization and moisture retention, thereby facilitating plant resilience.
Additionally, the research underscores the potential of using agricultural waste, specifically fruit pomace, to enhance biofilm formation and the efficacy of B. subtilis strains. The strains cultured in media supplemented with fruit pomace exhibited increased production of EPS and γ-PGA, correlating with improved plant growth under stress. Furthermore, the ability of these strains to produce ACC deaminase suggests a mechanism for ethylene regulation, which may further alleviate stress responses in plants. Overall, the findings advocate for the application of biofilm-forming B. subtilis strains as effective biostimulants in sustainable agriculture, particularly in the context of climate change and the need for resilient crop production systems.