DOI: https://doi.org/10.1186/s12866-024-03320-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38745279
تاريخ النشر: 2024-05-15
المؤلف: Sakthi Uma Devi Eswaran وآخرون
الموضوع الرئيسي: تثبيت النيتروجين في البقوليات
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في دور المحفزات الحيوية الميكروبية، وبشكل خاص البكتيريا الجذرية المعززة لنمو النبات (PGPR)، في تعزيز تحمل الجفاف في محاصيل البذور الزيتية. ركزت الدراسة على 15 عزلة بكتيرية، حيث تم تحديد سلالتين، Acinetobacter calcoaceticus AC06 و Bacillus amyloliquefaciens BA01، اللتين أظهرتا سمات ملحوظة في تعزيز نمو النبات، بما في ذلك إذابة الفوسفات وإنتاج مجموعة متنوعة من الأسموليتات مثل البرولين، وحمض الساليسيليك، والتريهالوز، والبيتين الجليسي. عندما تم تلقيح هذه السلالات في Arachis hypogaea L. (الفول السوداني) تحت ظروف جفاف متغيرة، حسنت معايير النمو، وكتلة النبات، والسمات الفسيولوجية، بينما قللت من مؤشرات حساسية النبات مثل تسرب الإلكتروليت ومحتوى المالونديالديهايد (MDA).
تشير النتائج إلى أن AC06 و BA01 يمكن أن تحفز بشكل فعال تحمل الأسمولية والتغيرات الأيضية في الفول السوداني خلال ضغط الجفاف، مما يبرز إمكانيتهما كمحفزات حيوية ميكروبية تنتج الأسموليتات. هذه الدراسة هي الأولى التي تبلغ عن قدرات إنتاج الأسموليتات لهذه السلالات في محاصيل البذور الزيتية تحت ظروف جفاف شديدة. على الرغم من نتائجها الواعدة، فإن المنتجات التجارية المستندة إلى هذه الأنواع غير متاحة حاليًا. يدعو المؤلفون إلى تطوير منتجات محفزات حيوية ميكروبية ويقترحون إطارًا آليًا لتوضيح عملها، بهدف تعزيز الأمن الغذائي المستدام وكفاءة استخدام الموارد.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على التأثير الكبير لتغيرات المناخ البيئي، وخاصة الجفاف، على إنتاجية المحاصيل العالمية، مع تركيز خاص على الفول السوداني (Arachis hypogaea L.). يؤثر الجفاف، الذي يتميز بانخفاض هطول الأمطار ودرجات الحرارة القصوى، سلبًا على رطوبة التربة وصحة النبات، مما يؤدي إلى تقليل النمو وإنتاج المحاصيل. تشير الورقة إلى أن الاستراتيجيات التقليدية لتعزيز تحمل الجفاف، مثل تقنيات التربية والهندسة الوراثية، معقدة وغالبًا ما تؤثر سلبًا على الصفات المرغوبة للنبات. وبالتالي، هناك حاجة ملحة لاستراتيجيات فعالة في الموقع لدعم نمو النبات تحت الري المحدود.
يقترح المؤلفون استخدام المحفزات الحيوية الميكروبية، وخاصة البكتيريا الجذرية المعززة لنمو النبات (PGPR)، كحل واعد للتخفيف من الضغط غير الحيوي. تعزز PGPR استخدام المغذيات وتحسن من مرونة النبات تجاه الجفاف من خلال آليات متنوعة، بما في ذلك إنتاج الهرمونات النباتية والأسموليتات. تهدف الدراسة إلى عزل وفحص المحفزات الحيوية الميكروبية المقاومة للأسمولية، وتقييم قدراتها على إنتاج الأسموليتات، وتقييم تأثيراتها على الاستجابات الشكلية والفسيولوجية والكيميائية الحيوية للفول السوداني تحت ظروف الجفاف. تفترض الفرضية أن PGPR التي تنتج الأسموليتات يمكن أن تعزز من مقاومة الجفاف في الفول السوداني، مما يقوي العلاقة التبادلية بين النباتات والمحسنات الحيوية.
الطرق
في هذه الدراسة، تضمنت التصميم التجريبي زراعة بذور معقمة (ثماني بذور لكل وعاء) في أوعية قياس 25 × 19 سم، والتي تم ملؤها بتربة رملية طينية مجففة بالهواء ومصفاة ومختلطة بشكل موحد بنسبة 3:1. يتم تفصيل الخصائص الرئيسية للتربة في الجدول 1. استخدم الإعداد التجريبي تصميم كتلة عشوائية كاملة مع ترتيب عاملي لتقييم تأثيرات العلاجات المختلفة على نمو البذور وتطورها بشكل منهجي. يسمح هذا التصميم بالتحكم في التباين ويعزز موثوقية النتائج المستخلصة من التجربة.
النتائج
في هذه الدراسة، تم عزل 15 عزلة بكتيرية تظهر مقاومة للأسمولية بنجاح من التربة الجافة، بهدف تطوير محفزات حيوية ميكروبية تتميز بسلالات محسنة. تم اختيار هذه العزلات بناءً على قدرتها على تحمل الضغط الأسمولي، الذي تم تحفيزه باستخدام بولي إيثيلين جلايكول (PEG) 6000. أظهرت جميع العزلات نموًا عند ضغط إجهاد أسمولي قدره -0.05 ميجا باسكال. ومن الجدير بالذكر أن 70% من العزلات حافظت على التحمل عند -0.15 و -0.30 ميجا باسكال، بينما أظهرت 30% مقاومة أكبر، حيث نجت من ضغوط أسمولية قدرها -0.49 و -0.73 ميجا باسكال.
بعد ذلك، تم تقييم العزلات البكتيرية الجذرية لخصائصها المعززة لنمو النبات (PGP)، مما يشير إلى إمكانية استخدامها في التطبيقات الزراعية. تؤكد هذه النتائج على أهمية عزل وتصنيف البكتيريا الجذرية المعززة لنمو النبات المقاومة للجفاف (PGPR) لتطوير محفزات فعالة في البيئات الجافة.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم عزل بكتيريا جذرية مقاومة للجفاف من نباتات Arachis hypogaea L. الصحية في منطقة جافة من تاميل نادو، الهند. أشارت الخصائص الفيزيائية والكيميائية للتربة إلى بيئة خصبة معتدلة، مع مستويات مغذية محددة ملائمة لنمو الميكروبات. تم إخضاع البكتيريا الجذرية المعزولة لمجموعة متنوعة من الاختبارات في المختبر لتقييم سماتها المعززة لنمو النبات (PGP)، بما في ذلك إنتاج حمض الإندول الأسيتي (IAA)، وتخليق السايدروفور، وإذابة الفوسفات. ومن الجدير بالذكر أن السلالتين AC06 و BA01 أظهرتا سمات PGP متفوقة، حيث أنتجت AC06 أعلى مستويات من IAA (128.82 ميكروغرام/مل) وإنتاج كبير من السايدروفور (84.87%).
قامت الدراسة أيضًا بتقييم تحمل هذه العزلات لضغط الأسمولية من خلال تعريضها لضغوط أسمولية متغيرة باستخدام PEG 6000. أظهرت AC06 و BA01 تحملًا عاليًا، كما يتضح من قياسات الكثافة الضوئية الخاصة بهما، وأنتجت كميات متزايدة من البوليمرات الخارجية (EPS) تحت ظروف ضغط الأسمولية. أكدت التوصيفات الجينية من خلال تسلسل 16S rRNA أن AC06 هي Acinetobacter calcoaceticus و BA01 هي Bacillus amyloliquefaciens. بالإضافة إلى ذلك، تم تعزيز إنتاج الأسموليتات مثل البرولين، وحمض الساليسيليك، والتريهالوز، والبيتين الجليسي بشكل كبير تحت ظروف الضغط، مما يشير إلى وجود علاقة إيجابية بين تحمل ضغط الأسمولية وتراكم الأسموليتات. في تجارب الأواني، حسنت التلقيحات بهذه السلالات PGPR السمات الشكلية والفسيولوجية للفول السوداني تحت ضغط الجفاف، مما يبرز إمكانياتها كمحفزات لتعزيز مرونة المحاصيل في البيئات الجافة.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12866-024-03320-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38745279
Publication Date: 2024-05-15
Author(s): Sakthi Uma Devi Eswaran et al.
Primary Topic: Legume Nitrogen Fixing Symbiosis
Overview
This research investigates the role of microbial biostimulants, specifically Plant Growth Promoting Rhizobacteria (PGPR), in enhancing drought tolerance in oil-seed crops. The study focused on 15 bacterial isolates, identifying two strains, Acinetobacter calcoaceticus AC06 and Bacillus amyloliquefaciens BA01, which exhibited significant plant growth-promoting traits, including phosphate solubilization and the production of various osmolytes such as proline, salicylic acid, trehalose, and glycine betaine under osmotic stress. When these strains were inoculated in Arachis hypogaea L. (Groundnut) under varying drought conditions, they improved growth parameters, plant biomass, and physiological traits, while reducing plant sensitivity indicators like electrolyte leakage and malondialdehyde (MDA) content.
The findings suggest that AC06 and BA01 can effectively induce osmotic tolerance and metabolic changes in groundnuts during drought stress, highlighting their potential as osmolyte-producing microbial biostimulants. This study is the first to report the osmolyte production capabilities of these strains in oil-seed crops under extreme drought conditions. Despite their promising results, commercial products based on these species are currently unavailable. The authors advocate for the development of microbial biostimulant products and propose a mechanistic framework to elucidate their action, aiming to enhance sustainable food security and resource use efficiency.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significant impact of environmental climate changes, particularly drought, on global crop productivity, with a specific focus on groundnut (Arachis hypogaea L.). Drought, characterized by decreased precipitation and extreme temperatures, adversely affects soil moisture and plant health, leading to reduced growth and crop yields. The paper notes that traditional strategies for enhancing drought tolerance, such as breeding techniques and genetic engineering, are complex and often compromise desirable plant traits. Consequently, there is a pressing need for effective in situ strategies to support plant growth under limited irrigation.
The authors propose the use of microbial biostimulants, particularly plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR), as a promising solution to mitigate abiotic stress. PGPR enhance nutrient utilization and improve plant resilience to drought through various mechanisms, including the production of phytohormones and osmolytes. The study aims to isolate and screen osmotolerant microbial biostimulants, assess their osmolyte production capabilities, and evaluate their effects on the morphological, physiological, and biochemical responses of groundnut under drought conditions. The hypothesis posits that osmolyte-synthesizing PGPR can foster drought resilience in groundnut, thereby strengthening the symbiotic relationship between the plants and the biostimulants.
Methods
In this study, the experimental design involved the implantation of sterilized seeds (eight per pot) into pots measuring 25 × 19 cm, which were filled with a sieved, air-dried, and uniformly mixed sandy-clay loam soil in a 3:1 ratio. The soil’s main characteristics are detailed in Table 1. The experimental setup utilized a randomized complete block design with a factorial arrangement to systematically assess the effects of various treatments on seed growth and development. This design allows for the control of variability and enhances the reliability of the results obtained from the experiment.
Results
In this study, 15 bacterial isolates exhibiting osmotolerance were successfully isolated from arid soil, with the aim of developing microbial biostimulants featuring enhanced strains. The selection of these isolates was based on their ability to withstand osmotic stress, which was induced using polyethylene glycol (PEG) 6000. All isolates demonstrated growth at an osmotic stress potential of -0.05 MPa. Notably, 70% of the isolates maintained tolerance at -0.15 and -0.30 MPa, while 30% exhibited even greater resistance, surviving osmotic potentials of -0.49 and -0.73 MPa.
Subsequently, the rhizobacterial isolates were evaluated for their plant growth-promoting (PGP) characteristics, indicating their potential utility in agricultural applications. These findings underscore the significance of isolating and characterizing drought-tolerant plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) for the development of effective biostimulants in arid environments.
Discussion
In this study, drought-tolerant rhizobacteria were isolated from healthy Arachis hypogaea L. plants in an arid region of Tamil Nadu, India. The physicochemical properties of the soil indicated a moderately fertile environment, with specific nutrient levels conducive to microbial growth. The isolated rhizobacteria were subjected to various in vitro assays to evaluate their plant growth-promoting (PGP) traits, including indole acetic acid (IAA) production, siderophore synthesis, and phosphate solubilization. Notably, the strains AC06 and BA01 exhibited superior PGP traits, with AC06 producing the highest IAA levels (128.82 µg/ml) and significant siderophore production (84.87%).
The study further assessed the osmotic stress tolerance of these isolates by exposing them to varying osmotic pressures using PEG 6000. AC06 and BA01 demonstrated high tolerance, as indicated by their optical density measurements, and produced increased amounts of exopolysaccharides (EPS) under osmotic stress conditions. Genetic characterization through 16S rRNA sequencing confirmed AC06 as Acinetobacter calcoaceticus and BA01 as Bacillus amyloliquefaciens. Additionally, the production of osmolytes such as proline, salicylic acid, trehalose, and glycine betaine was significantly enhanced under stress conditions, indicating a positive correlation between osmotic stress tolerance and osmolyte accumulation. In pot experiments, inoculation with these PGPR strains improved morphological and physiological traits of groundnuts under drought stress, highlighting their potential as biostimulants for enhancing crop resilience in arid environments.