DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2024.1433716
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39132133
تاريخ النشر: 2024-07-26
المؤلف: Muhammad Ayaz وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات إدارة وتوصيف الديدان الخيطية
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة عامة على التهديد الكبير الذي تشكله الديدان الخيطية الطفيلية للنباتات (PPNs) على الزراعة العالمية، مما يؤدي إلى خسائر سنوية تقدر بـ 157 مليار دولار. بينما تعتبر المبيدات الكيميائية الاصطناعية فعالة، فإن استخدامها المفرط يثير القلق بشأن صحة الإنسان وسلامة البيئة. نتيجة لذلك، تظهر عوامل التحكم البيولوجي (BCAs)، بما في ذلك البكتيريا والفطريات المفيدة في منطقة الجذور، كبدائل واعدة. تتفاعل هذه BCAs مع جذور النباتات، منتجة مركبات متنوعة مثل الإنزيمات خارج الخلوية، والمواد الأيضية الثانوية، والمركبات العضوية المتطايرة (VOCs) التي تثبط أعداد الديدان الخيطية. بالإضافة إلى ذلك، تجذب إفرازات جذور النباتات الميكروبات المفيدة، مما يبرز التفاعل المعقد بين النباتات والميكروبات في مكافحة PPNs.
تؤكد المراجعة على إمكانيات تقنيات المولتي أوميكس – الميتاجينوميات، والترانسكريبتوميات، والبروتيوميات، والميتابولوميات – في اكتشاف مركبات جديدة قاتلة للديدان وتعزيز استراتيجيات التحكم البيولوجي. كما تؤكد على أهمية المزيد من البحث في تطوير BCAs، وخاصة من خلال نهج الأوميكس، لتحسين إدارة PPN في الزراعة المستدامة. تشير النتائج إلى أن الاستفادة من الأوميكس يمكن أن تعمق الفهم للآليات الجزيئية التي تكمن وراء تفاعلات التحكم البيولوجي، مما يؤدي في النهاية إلى استراتيجيات أكثر فعالية لإدارة PPNs في الأنظمة الزراعية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التهديد الكبير الذي تشكله الديدان الخيطية الطفيلية للنباتات (PPNs) على إنتاجية الزراعة العالمية، مع تحديد أكثر من 4,100 نوع، بما في ذلك ديدان العقد الجذرية وديدان الكيس. تتحمل PPNs مسؤولية خسارة متوسطة تقدر بـ 12.6% في المحاصيل، مما يترجم إلى حوالي 157 مليار دولار عبر 20 محصولًا رئيسيًا مثل الطماطم وفول الصويا والأرز. تعطل هذه الديدان امتصاص العناصر الغذائية والمياه في النباتات، وتضعف دفاعاتها، وتزيد من حساسيتها لمسببات الأمراض الأخرى، مما يؤدي إلى آثار اقتصادية شديدة على الزراعة.
تؤكد المراجعة على الحاجة الملحة لاستراتيجيات التحكم المستدامة لـ PPNs، خاصة في ضوء الآثار السلبية للمبيدات الكيميائية الاصطناعية على صحة الإنسان والبيئة. تقدم عوامل التحكم البيولوجي (BCAs)، بما في ذلك أنواع مختلفة من البكتيريا والفطريات في منطقة الجذور، بديلاً واعدًا لإدارة PPNs من خلال آليات مثل منع فقس البيض ومكافحة الديدان الخيطية اليافعة مباشرة. كما تشير المقدمة إلى إمكانيات تقنيات الأوميكس، وخاصة الميتابولوميات، لتسهيل تطوير مبيدات جديدة وتعزيز استراتيجيات التحكم البيولوجي. تتمثل أهداف المراجعة في تلخيص دور BCAs في السيطرة على PPNs واستكشاف الاتجاهات المستقبلية للممارسات الزراعية المستدامة من خلال نهج الأوميكس.
نقاش
تسلط قسم النقاش في ورقة البحث الضوء على الدور الكبير لعوامل التحكم البيولوجي البكتيرية والفطرية (BCAs) في إدارة الديدان الخيطية الطفيلية للنباتات (PPNs). أظهرت الأجناس البكتيرية مثل *Pseudomonas* و*Serratia* و*Bacillus* فعالية عالية في قمع أعداد PPN من خلال آليات متنوعة، بما في ذلك إنتاج المواد الأيضية الثانوية والمركبات العضوية المتطايرة (VOCs) ذات الخصائص القاتلة للديدان. على سبيل المثال، أظهرت سلالات مثل *Bacillus subtilis* و*Bacillus cereus* نشاطًا قاتلًا للديدان يصل إلى 95% ضد مراحل اليرقات من الديدان مثل *Meloidogyne javanica*. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لبعض البكتيريا أن تحفز المقاومة النظامية للنبات (ISR) وتتنافس على الموارد في منطقة الجذور، مما يساعد بشكل أكبر في قمع الديدان الخيطية.
تظهر عوامل التحكم البيولوجي الفطرية، وخاصة أنواع *Trichoderma* و*Pochonia*، أيضًا تأثيرات قاتلة للديدان قوية من خلال الافتراس، والطفيليات، وإنتاج المركبات النشطة بيولوجيًا. يمكن أن تعزز هذه الفطريات نمو النبات ومرونته ضد الديدان الخيطية من خلال تنظيم الجينات المتعلقة بالدفاع وإنتاج المواد الأيضية التي تثبط تطور الديدان. على سبيل المثال، كان *Trichoderma harzianum* فعالًا في تقليل أعداد الديدان الخيطية في محاصيل متنوعة. يؤكد القسم على الحاجة إلى مزيد من البحث في آليات عمل هذه BCAs وإمكانية تطوير مبيدات ديدان مستدامة يمكن أن تقلل الاعتماد على المبيدات الكيميائية، مما يحسن صحة التربة وإنتاجية المحاصيل.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2024.1433716
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39132133
Publication Date: 2024-07-26
Author(s): Muhammad Ayaz et al.
Primary Topic: Nematode management and characterization studies
Overview
The section provides an overview of the significant threat posed by plant parasitic nematodes (PPNs) to global agriculture, resulting in annual losses estimated at $157 billion. While synthetic chemical nematicides are effective, their excessive use raises concerns regarding human health and environmental safety. As a result, biocontrol agents (BCAs), including beneficial bacteria and fungi in the rhizosphere, emerge as promising alternatives. These BCAs interact with plant roots, producing various compounds such as extracellular enzymes, secondary metabolites, and volatile organic compounds (VOCs) that suppress nematode populations. Additionally, plant root exudates attract beneficial microbes, highlighting the complex interplay between plants and microbes in combating PPNs.
The review underscores the potential of multi-omics techniques—metagenomics, transcriptomics, proteomics, and metabolomics—in discovering novel nematicidal compounds and enhancing biocontrol strategies. It emphasizes the importance of further research into the development of BCAs, particularly through omics approaches, to improve PPN management in sustainable agriculture. The findings suggest that leveraging omics can deepen the understanding of the molecular mechanisms underlying biocontrol interactions, ultimately leading to more effective strategies for managing PPNs in agricultural systems.
Introduction
The introduction highlights the significant threat posed by plant parasitic nematodes (PPNs) to global agricultural productivity, with over 4,100 species identified, including root-knot and cyst nematodes. PPNs are responsible for an estimated average yield loss of 12.6%, translating to approximately $157 billion across 20 major crops such as tomato, soybean, and rice. These nematodes disrupt nutrient and water uptake in plants, weaken their defenses, and increase susceptibility to other pathogens, leading to severe economic impacts on agriculture.
The review emphasizes the urgent need for sustainable control strategies for PPNs, particularly in light of the negative effects of synthetic nematicides on human health and the environment. Biological control agents (BCAs), including various rhizospheric bacteria and fungi, present a promising alternative for managing PPNs through mechanisms such as preventing egg hatching and directly combating juvenile nematodes. The introduction also notes the potential of omics technologies, particularly metabolomics, to facilitate the development of novel nematicides and enhance biocontrol strategies. The objectives of the review are to summarize the role of BCAs in controlling PPNs and to explore future directions for sustainable agricultural practices through omics-based approaches.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant role of bacterial and fungal biocontrol agents (BCAs) in managing plant-parasitic nematodes (PPNs). Bacterial genera such as *Pseudomonas*, *Serratia*, and *Bacillus* have demonstrated high efficacy in suppressing PPN populations through various mechanisms, including the production of secondary metabolites and volatile organic compounds (VOCs) with nematicidal properties. For instance, strains like *Bacillus subtilis* and *Bacillus cereus* have shown up to 95% nematicidal activity against juvenile stages of nematodes like *Meloidogyne javanica*. Additionally, certain bacteria can induce plant systemic resistance (ISR) and compete for resources in the rhizosphere, further aiding in nematode suppression.
Fungal biocontrol agents, particularly species of *Trichoderma* and *Pochonia*, also exhibit potent nematicidal effects through predation, parasitism, and the production of bioactive compounds. These fungi can enhance plant growth and resilience against nematodes by regulating defense-related genes and producing metabolites that inhibit nematode development. For example, *Trichoderma harzianum* has been effective in reducing nematode populations in various crops. The section emphasizes the need for further research into the mechanisms of action of these BCAs and the potential for developing sustainable nematicides that can reduce reliance on chemical pesticides, thereby improving soil health and crop productivity.