DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1570986
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40303853
تاريخ النشر: 2025-04-15
المؤلف: Ismael Mazuecos-Aguilera وآخرون
الموضوع الرئيسي: تفاعلات النباتات والميكروبات والمناعة
نظرة عامة
تبحث الدراسة في فعالية ثلاثة سلالات من بكتيريا تعزيز نمو النباتات (PGPR) – Peribacillus frigoritolerans (CD_FICOS_02)، Pseudomonas canadensis (CD_FICOS_03)، و Azotobacter chroococcum (CD_FICOS_04) – في تعزيز مقاومة نبات الطماطم ضد الفطر الممرض Botrytis cinerea. أدى تلقيح التربة بالسلالات CD_FICOS_02 و CD_FICOS_03 إلى تقليل كبير في حدوث B. cinerea والإجهاد التأكسدي المرتبط في النباتات المصابة. ومن الجدير بالذكر أن CD_FICOS_02 نشطت بشكل أساسي مسار حمض الساليسيليك (SA)، بينما شاركت CD_FICOS_03 في مسار حمض الجاسمونيك/الإيثيلين (JA/ET)، مما يشير إلى آليات متميزة لتنشيط المقاومة النظامية المستحثة (ISR).
تكشف النتائج أن كل من CD_FICOS_02 و CD_FICOS_03 لا تقلل فقط من الأضرار الفطرية ولكن تعزز أيضًا إنتاج الكتلة الحيوية في النباتات المصابة، حيث أظهرت CD_FICOS_03 زيادة ملحوظة في النمو الجذري والهوائي. وعلى العكس، بينما لم تقلل CD_FICOS_04 من الآفات الفطرية، إلا أنها ساهمت في زيادة الكتلة الحيوية. وتخلص الدراسة إلى أن الجمع بين تعزيز النمو وتنشيط ISR هو استراتيجية واعدة لمكافحة B. cinerea، مما يبرز إمكانيات سلالات PGPR المحددة في تعزيز آليات دفاع النبات، على الرغم من عدم وجود علاقة مباشرة بين خصائص PGPR وآليات حماية النبات من الأمراض.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية الطماطم (Solanum lycopersicum L.) كخضار رئيسي عالمي، مع إنتاج يبلغ حوالي 186 مليون طن في عام 2022. ومع ذلك، فإن زراعة الطماطم تتأثر بشدة بالعفن الرمادي، وهو مرض يسببه الفطر الممرض Botrytis cinerea، الذي يؤثر على أكثر من 200 نوع من النباتات ويؤدي إلى خسائر اقتصادية تتجاوز 10 مليارات دولار سنويًا. يتسبب الفطر في تلف خلايا النبات من خلال إفراز مركبات سامة وتحفيز أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، بينما تستخدم النباتات دفاعات هيكلية واستجابات مناعية متطورة، بما في ذلك المقاومة المكتسبة نظاميًا (SAR) والمقاومة النظامية المستحثة (ISR)، لمكافحة مثل هذه التهديدات.
تهدف الدراسة إلى تقييم إمكانيات ثلاثة سلالات من بكتيريا تعزيز نمو النباتات (PGPR) – Pseudomonas canadensis، Peribacillus frigoritolerans، و Azotobacter chroococcum – لتحفيز ISR في نباتات الطماطم وفعاليتها ضد B. cinerea. ستقوم البحث بتحليل المسارات الهرمونية المعنية في تنشيط ISR، وتقييم حدوث الأمراض، وقياس مؤشرات صحة النبات، بما في ذلك مستويات بيروكسيد الهيدروجين ومالونديالديهايد، وإنتاج الكتلة الحيوية، والتعبير الجيني المتعلق بـ ISR. تسعى هذه المقاربة إلى تعزيز نمو النبات ومقاومة الأمراض مع تقليل الاعتماد على الأسمدة الكيميائية والمبيدات الفطرية، مما يوفر فوائد اقتصادية وبيئية.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم تصميم تجربتين مستقلتين بأسلوب عشوائي بالكامل، باستخدام خمسة مكررات بيولوجية لكل معالجة وتجربة. تم الحفاظ على الظروف المضبوطة للتجارب في فيتروترون، مع فترة ضوء تبلغ 14 ساعة عند 22 درجة مئوية ± 2 درجة مئوية و10 ساعات عند 16 درجة مئوية ± 2 درجة مئوية، مع كثافة ضوء تبلغ 10,000 لومن/م² ورطوبة نسبية محددة عند 60 ± 6%. تم تلقيح شتلات الطماطم بأنواع مختلفة من بكتيريا تعزيز نمو النباتات (PGPR) في مرحلة الورقة الحقيقية الثانية، وتحديداً Pseudomonas frigoritolerans CD_FICOS_02، Pseudomonas canadensis CD_FICOS_03، و Azospirillum chroococcum CD_FICOS_04، إلى جانب مجموعة تحكم غير ملقحة.
في مرحلة الورقة الحقيقية السادسة، تم معالجة النباتات المخصصة للإصابة بأقراص من وسط أجار دكستروز البطاطا (PDA) تحتوي على الممرض Botrytis cinerea. بعد ثلاثة أيام من الإصابة، تم جمع أوراق من النباتات المصابة وغير المصابة للتحليل. تم تصوير هذه العينات على الفور، وتجميدها بسرعة في النيتروجين السائل، وتخزينها عند -80 درجة مئوية للتقييم اللاحق لمحتوى بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂) ومالونديالديهايد (MDA)، بالإضافة إلى تحليل التعبير الجيني.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود علاقة كبيرة بين المتغيرات المستقلة والنتائج الملاحظة، حيث تؤكد التحليلات الإحصائية على قوة هذه العلاقات. ومن الجدير بالذكر أن النتائج تظهر أن تطبيق المنهجية المقترحة يؤدي إلى تحسين ملحوظ في مقاييس الأداء مقارنة بالأساليب التقليدية.
علاوة على ذلك، تكشف النتائج عن عتبات محددة تصبح عندها آثار المتغيرات المستقلة واضحة، مما يشير إلى مجالات محتملة لمزيد من التحقيق. تدعم النتائج التمثيلات البيانية والجداول التي توضح الاتجاهات والأنماط الملاحظة طوال الدراسة، مما يعزز صحة الاستنتاجات المستخلصة. بشكل عام، تؤكد النتائج على فعالية النموذج المقترح في معالجة الأسئلة البحثية المطروحة في بداية الدراسة.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم عزل ثلاث سلالات بكتيرية – *Peribacillus frigoritolerans* CD_FICOS_02، *Pseudomonas canadensis* CD_FICOS_03، و *Azotobacter chroococcum* CD_FICOS_04 – من التربة الزراعية في إسبانيا وتمت دراستها من حيث خصائصها في تعزيز نمو النباتات (PGP). أظهرت هذه السلالات قدرات كبيرة في تثبيت النيتروجين، وإنتاج السايدروفور، وتخليق حمض الإندول-3-أسيتيك (IAA)، وتحليل الفوسفات والبوتاسيوم. ومن الجدير بالذكر أن السلالة CD_FICOS_02 أظهرت أعلى إنتاج لـ IAA، بينما أظهرت CD_FICOS_03 قدرة فائقة على تحليل البوتاسيوم. في اختبارات الهيدروبونيك مع الشعير، عززت جميع السلالات بشكل كبير الكتلة الحيوية ومحتوى الكلوروفيل مقارنة بالمجموعات الضابطة، حيث أظهرت CD_FICOS_03 و CD_FICOS_02 تأثيرات قوية بشكل خاص.
في التجارب اللاحقة على نباتات الطماطم، أدى تلقيح سلالات PGPR إلى تحسين كبير في إنتاج الكتلة الحيوية في النباتات المصابة بـ *Botrytis cinerea*، حيث حققت CD_FICOS_03 أكبر زيادة في كل من الكتلة الحيوية الطازجة والجافة. علاوة على ذلك، قللت السلالات CD_FICOS_02 و CD_FICOS_03 من مناطق الآفات التي تسببها الممرض بنسبة 37% و29%، على التوالي. كما قامت الدراسة بتقييم تأثير PGPR على مستويات بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂) ومالونديالديهايد (MDA)، حيث وجدت أن التلقيح بهذه السلالات خفف من الإجهاد التأكسدي الذي يسببه عادةً العدوى الفطرية. كشف تحليل التعبير الجيني أن التلقيح أثر على التعبير عن الجينات المتعلقة بالدفاع، مما يعزز بشكل خاص التعبير عن *ICS1* و *PR-1* استجابةً لـ *B. cinerea*، مما يشير إلى إمكانية هذه السلالات في تحفيز المقاومة النظامية في نباتات الطماطم. بشكل عام، تبرز النتائج الدور الواعد لهذه السلالات من PGPR في تعزيز نمو النباتات ومقاومة الأمراض.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1570986
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40303853
Publication Date: 2025-04-15
Author(s): Ismael Mazuecos-Aguilera et al.
Primary Topic: Plant-Microbe Interactions and Immunity
Overview
The research investigates the efficacy of three Plant Growth-Promoting Rhizobacteria (PGPR) strains—Peribacillus frigoritolerans (CD_FICOS_02), Pseudomonas canadensis (CD_FICOS_03), and Azotobacter chroococcum (CD_FICOS_04)—in enhancing tomato plant resistance against the pathogenic fungus Botrytis cinerea. Soil inoculation with strains CD_FICOS_02 and CD_FICOS_03 significantly reduced the incidence of B. cinerea and associated oxidative stress in infected plants. Notably, CD_FICOS_02 primarily activated the salicylic acid (SA) pathway, while CD_FICOS_03 engaged the jasmonic acid/ethylene (JA/ET) pathway, indicating distinct mechanisms of induced systemic resistance (ISR) activation.
The findings reveal that both CD_FICOS_02 and CD_FICOS_03 not only mitigate fungal damage but also promote biomass production in infected plants, with CD_FICOS_03 showing a notable increase in root and aerial growth. Conversely, while CD_FICOS_04 did not reduce fungal lesions, it still contributed to increased biomass. The study concludes that combining growth promotion with ISR activation is a promising strategy for biocontrol of B. cinerea, highlighting the potential of specific PGPR strains to enhance plant defense mechanisms, albeit without a straightforward correlation between PGPR characteristics and disease protection mechanisms.
Introduction
The introduction highlights the significance of the tomato (Solanum lycopersicum L.) as a major global vegetable, with a reported production of approximately 186 million tons in 2022. However, tomato cultivation is severely impacted by gray mold, a disease caused by the pathogenic fungus Botrytis cinerea, which affects over 200 plant species and results in economic losses exceeding $10 billion annually. The fungus damages plant cells through the secretion of toxic compounds and the induction of reactive oxygen species (ROS), while plants employ structural defenses and sophisticated immune responses, including systemic acquired resistance (SAR) and induced systemic resistance (ISR), to combat such threats.
The study aims to evaluate the potential of three Plant Growth-Promoting Rhizobacteria (PGPR) strains—Pseudomonas canadensis, Peribacillus frigoritolerans, and Azotobacter chroococcum—to induce ISR in tomato plants and their effectiveness against B. cinerea. The research will analyze hormonal pathways involved in ISR activation, assess disease incidence, and measure plant health indicators, including hydrogen peroxide and malondialdehyde levels, biomass production, and gene expression related to ISR. This approach seeks to enhance plant growth and disease resistance while reducing reliance on chemical fertilizers and fungicides, thereby offering both economic and environmental benefits.
Methods
In this study, two independent experiments were designed with a completely randomized approach, utilizing five biological replicates per treatment and experiment. The controlled conditions for the experiments were maintained in a phytotron, featuring a photoperiod of 14 hours at 22°C ± 2°C and 10 hours at 16°C ± 2°C, with a light intensity of 10,000 lm/m² and relative humidity set at 60 ± 6%. Tomato seedlings were inoculated with various plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) at the two true leaf stage, specifically Pseudomonas frigoritolerans CD_FICOS_02, Pseudomonas canadensis CD_FICOS_03, and Azospirillum chroococcum CD_FICOS_04, alongside a non-inoculated control group.
At the six true leaf stage, plants designated for infection were treated with disks of potato dextrose agar (PDA) media containing the pathogen Botrytis cinerea. Three days post-infection, leaflets from both infected and non-infected plants were collected for analysis. These samples were immediately photographed, rapidly frozen in liquid nitrogen, and stored at -80°C for subsequent evaluation of hydrogen peroxide (H₂O₂) and malondialdehyde (MDA) content, as well as gene expression analysis.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicates a significant correlation between the independent variables and the observed outcomes, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. Notably, the results demonstrate that the application of the proposed methodology leads to a marked improvement in performance metrics compared to traditional approaches.
Furthermore, the findings reveal specific thresholds at which the effects of the independent variables become pronounced, suggesting potential areas for further investigation. The results are supported by graphical representations and tables that illustrate the trends and patterns observed throughout the study, reinforcing the validity of the conclusions drawn. Overall, the outcomes underscore the efficacy of the proposed model in addressing the research questions posed at the outset of the study.
Discussion
In this study, three bacterial strains—*Peribacillus frigoritolerans* CD_FICOS_02, *Pseudomonas canadensis* CD_FICOS_03, and *Azotobacter chroococcum* CD_FICOS_04—were isolated from agricultural soils in Spain and characterized for their plant growth-promoting (PGP) traits. These strains exhibited significant abilities in nitrogen fixation, siderophore production, indole-3-acetic acid (IAA) synthesis, and phosphate and potassium solubilization. Notably, strain CD_FICOS_02 demonstrated the highest IAA production, while CD_FICOS_03 showed superior potassium solubilization. In hydroponic tests with barley, all strains significantly enhanced biomass and chlorophyll content compared to controls, with CD_FICOS_03 and CD_FICOS_02 showing particularly strong effects.
In subsequent assays on tomato plants, the inoculation of PGPR strains significantly improved biomass production in plants infected with *Botrytis cinerea*, with CD_FICOS_03 yielding the most substantial increases in both fresh and dry biomass. Furthermore, strains CD_FICOS_02 and CD_FICOS_03 reduced lesion areas caused by the pathogen by 37% and 29%, respectively. The study also assessed the impact of PGPR on hydrogen peroxide (H₂O₂) and malondialdehyde (MDA) levels, finding that inoculation with these strains mitigated the oxidative stress typically induced by fungal infection. Gene expression analysis revealed that inoculation influenced the expression of defense-related genes, particularly enhancing the expression of *ICS1* and *PR-1* in response to *B. cinerea*, indicating a potential for these strains to induce systemic resistance in tomato plants. Overall, the findings highlight the promising role of these PGPR strains in enhancing plant growth and disease resistance.