DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2024.1342331
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38562478
تاريخ النشر: 2024-03-18
المؤلف: Iryna Kulkova وآخرون
الموضوع الرئيسي: تفاعلات النباتات والميكروبات والمناعة
نظرة عامة
تناقش المراجعة المصغرة دور Serratia spp. في تعزيز نمو النباتات تحت الضغوط غير الحيوية مثل الملوحة، والجفاف، ونقص المغذيات، والتي تمثل تحديات كبيرة في الزراعة تؤدي إلى خسائر اقتصادية. لقد أظهرت Serratia spp. أنها تعزز نمو النباتات وتحمل الضغوط من خلال آليات مختلفة، بما في ذلك إنتاج الهرمونات النباتية، ونشاط ACC deaminase، وثبات النيتروجين، وحل الفوسفور والزنك، وتحسين الخصائص المضادة للأكسدة. ومع ذلك، تؤكد المراجعة على الحاجة إلى مزيد من البحث لتوضيح الآليات الجزيئية لعمل Serratia spp. على النباتات وتأثيراتها على الميكروبيوم التربة والنبات المحلي، لا سيما في منطقة الجذور.
يدعو المؤلفون إلى استخدام تقنيات الأوميكس لتعميق فهم هذه التفاعلات ويبرزون أهمية تقييم القدرة المحتملة لبعض سلالات Serratia على التسبب في الأمراض قبل التطبيق في الحقل. يقترحون أن توسيع المعرفة في هذه المجالات يمكن أن يعزز فعالية Serratia spp. كسماد حيوي صديق للبيئة في الزراعة المستدامة. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على تأثير Serratia spp. على الميكروبيوم المحلي، لا سيما في منطقة الجذور، وإمكانية تشكيل الأغشية الحيوية لتحسين الاستعمار. بالإضافة إلى ذلك، من الضروري التحقيق في وجود جينات الفوعة في سلالات PGP لضمان السلامة في الممارسات الزراعية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التأثير الكبير للضغوط غير الحيوية، مثل درجات الحرارة القصوى، وضغط الملح، والجفاف، ونقص المغذيات، وتلوث المعادن الثقيلة، على الزراعة العالمية، مما يؤدي إلى خسائر اقتصادية كبيرة (Faisol et al., 2022; Hewedy et al., 2022; Suleimenova et al., 2023; Wróbel et al., 2023). من بين هذه الضغوط، تعتبر ضغوط الملح والجفاف ضارة بشكل خاص، حيث تسبب سمية أيونية، وضغط أسموزي، وضغط أكسدي في النباتات (Ma et al., 2020; Kulkova et al., 2023). تؤكد الورقة على الحاجة إلى حلول صديقة للبيئة، مثل البكتيريا المعززة لنمو النباتات (PGPB)، للتخفيف من هذه الضغوط، مع التركيز على جنس Serratia spp.، الذي يشمل سلالات مرضية وأخرى مفيدة (Grimont and Grimont, 2015; Hasan et al., 2020; Soenens and Imperial, 2020).
تُعرف Serratia spp. بإمكاناتها لتعزيز نمو النباتات وتحسين جودة التربة تحت ظروف طبيعية وضغط، مما يقلل الاعتماد على الأسمدة الاصطناعية (Verma et al., 2019; Sood et al., 2019). تشمل الآليات التي تعزز بها Serratia spp. نمو النباتات إنتاج الهرمونات النباتية، وACC deaminase، وحل المغذيات، وإدارة أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، من بين أمور أخرى (Saikia et al., 2018; Mahdi et al., 2021; Nordstedt and Jones, 2021; Ahmad et al., 2022). على الرغم من الصفات الواعدة لـ Serratia spp. كـ PGPB، إلا أن آليات عملها تحت الضغط غير الحيوي لا تزال غير مستكشفة بشكل كاف. تهدف هذه المراجعة المصغرة إلى تقديم نظرة شاملة على الأدوار الوقائية لـ Serratia spp. ضد الضغوط غير الحيوية وتحديد مجالات البحث المستقبلية، لا سيما فيما يتعلق بالآليات الجزيئية التي تكمن وراء صفاتها المفيدة.
طرق البحث
شملت منهجية المراجعة المصغرة تحليلًا شاملاً باستخدام مجموعة من الكلمات الرئيسية المتعلقة بعوامل الضغط المختلفة التي تؤثر على النباتات، بما في ذلك الضغوط غير الحيوية، والأكسدة، والأسموزية، والأيونية، والملوحة، والجفاف، بالإضافة إلى البكتيريا المعززة لنمو النباتات (PGPB) وخصائصها المرتبطة. تم استخراج البيانات بشكل منهجي من ست قواعد بيانات أكاديمية: Google Scholar، وWeb of Science، وScopus، وfreefullpdf، وResearchgate، وSciencedirect.
تم اختيار ما مجموعه 98 مقالة نُشرت بين عامي 2005 و2024 للمراجعة. تم تصنيف النتائج إلى مجالات محددة: 33 مقالة تركزت على ضغط الملوحة، و24 على ضغط الجفاف، و28 على امتصاص المغذيات، و20 على تحفيز نمو النباتات تحت ظروف طبيعية بواسطة بكتيريا Serratia. سمح هذا النهج المنظم بإجراء فحص دقيق لدور Serratia في تخفيف الضغوط المختلفة وتعزيز فسيولوجيا النبات.
مناقشة
تسلط المناقشة الضوء على الدور المهم لـ Serratia spp. كبكتيريا معززة لنمو النباتات (PGPB) تحت ظروف بيئية مختلفة، لا سيما في السيناريوهات التي تعاني من نقص المغذيات والضغوط غير الحيوية. تشير الأبحاث إلى أن سلالات Serratia تعزز نمو النباتات من خلال آليات مثل إنتاج الهرمونات النباتية، وثبات النيتروجين، وحل الفوسفور، وتشكيل الأغشية الحيوية. على سبيل المثال، أدى تلقيح الأرز والقمح بسلالات معينة من Serratia إلى تحسين معايير النمو، ومحتوى الكلوروفيل، وامتصاص المغذيات، مما يظهر إمكاناتها كسماد حيوي. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت Serratia spp. فعالية في تخفيف ضغط الملوحة والجفاف من خلال تعزيز النشاط المضاد للأكسدة، وتنظيم مستويات الإيثيلين، وتحسين ملفات المغذيات في التربة.
على الرغم من هذه النتائج الواعدة، يؤكد المؤلفون على الحاجة إلى مزيد من البحث لتوضيح الآليات الجزيئية التي تكمن وراء التأثيرات المفيدة لـ Serratia spp. على نمو النباتات وتحمل الضغوط. يشمل ذلك التحقيق في تأثير هذه البكتيريا على التعبير الجيني المتعلق بالنمو واستجابات الضغط، فضلاً عن تفاعلاتها مع الميكروبيوم المحلي في منطقة الجذور. كما أن القدرة المحتملة لبعض سلالات Serratia على التسبب في الأمراض تستدعي الحذر، مما يتطلب تقييمات جينية لضمان السلامة قبل التطبيقات الميدانية. بشكل عام، يمكن أن يسهم تعزيز فهمنا لـ Serratia spp. بشكل كبير في الممارسات الزراعية المستدامة وتحسين مرونة المحاصيل تجاه الضغوط غير الحيوية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2024.1342331
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38562478
Publication Date: 2024-03-18
Author(s): Iryna Kulkova et al.
Primary Topic: Plant-Microbe Interactions and Immunity
Overview
The mini-review discusses the role of Serratia spp. in promoting plant growth under abiotic stresses such as salinity, drought, and nutrient deficiency, which are significant challenges in agriculture leading to economic losses. Serratia spp. has been shown to enhance plant growth and stress tolerance through various mechanisms, including the production of phytohormones, ACC deaminase activity, nitrogen fixation, solubilization of phosphorus and zinc, and improving antioxidant properties. However, the review emphasizes the need for further research to elucidate the molecular mechanisms of action of Serratia spp. on plants and its effects on indigenous soil and plant microbiota, particularly in the rhizosphere.
The authors advocate for the use of omics techniques to deepen understanding of these interactions and highlight the importance of assessing the potential pathogenicity of certain Serratia strains before field application. They suggest that expanding knowledge in these areas could enhance the efficacy of Serratia spp. as eco-friendly biofertilizers in sustainable agriculture. Future research should focus on the impact of Serratia spp. on native microbiota, particularly in the rhizosphere, and the potential for biofilm formation to optimize colonization. Additionally, it is crucial to investigate the presence of virulence genes in PGP strains to ensure safety in agricultural practices.
Introduction
The introduction highlights the significant impact of abiotic stresses, such as temperature extremes, salt stress, drought, nutrient deficiencies, and heavy metal contamination, on global agriculture, leading to substantial economic losses (Faisol et al., 2022; Hewedy et al., 2022; Suleimenova et al., 2023; Wróbel et al., 2023). Among these, salt and drought stresses are particularly detrimental, inducing ionic toxicity, osmotic stress, and oxidative stress in plants (Ma et al., 2020; Kulkova et al., 2023). The paper emphasizes the need for eco-friendly solutions, such as plant growth-promoting bacteria (PGPB), to mitigate these stresses, with a focus on the genus Serratia spp., which includes both pathogenic and beneficial strains (Grimont and Grimont, 2015; Hasan et al., 2020; Soenens and Imperial, 2020).
Serratia spp. are recognized for their potential to enhance plant growth and improve soil quality under both normal and stress conditions, thereby reducing reliance on synthetic fertilizers (Verma et al., 2019; Sood et al., 2019). The mechanisms by which Serratia spp. promote plant growth include the production of phytohormones, ACC deaminase, nutrient solubilization, and the management of reactive oxygen species (ROS), among others (Saikia et al., 2018; Mahdi et al., 2021; Nordstedt and Jones, 2021; Ahmad et al., 2022). Despite the promising attributes of Serratia spp. as PGPB, their mechanisms of action under abiotic stress remain underexplored. This mini-review aims to provide a comprehensive overview of the protective roles of Serratia spp. against abiotic stresses and to identify areas for future research, particularly regarding the molecular mechanisms underlying their beneficial traits.
Methods
The methodology for the mini-review involved a comprehensive analysis utilizing a range of keywords related to various stress factors affecting plants, including abiotic, oxidative, osmotic, ionic, salinity, and drought stresses, as well as plant growth-promoting bacteria (PGPB) and their associated traits. Data were systematically extracted from six academic databases: Google Scholar, Web of Science, Scopus, freefullpdf, Researchgate, and Sciencedirect.
A total of 98 articles published between 2005 and 2024 were selected for review. The findings were categorized into specific areas: 33 articles focused on salinity stress, 24 on drought stress, 28 on nutrient uptake, and 20 on the stimulation of plant growth under normal conditions by Serratia bacteria. This structured approach allowed for a detailed examination of the role of Serratia in mitigating various stressors and enhancing plant physiology.
Discussion
The discussion highlights the significant role of Serratia spp. as plant growth-promoting bacteria (PGPB) under various environmental conditions, particularly in nutrient-deficient and abiotic stress scenarios. Research indicates that Serratia strains enhance plant growth through mechanisms such as phytohormone production, nitrogen fixation, phosphorus solubilization, and biofilm formation. For instance, inoculation of rice and wheat with specific Serratia strains has led to improved growth parameters, chlorophyll content, and nutrient uptake, demonstrating their potential as biofertilizers. Additionally, Serratia spp. have shown efficacy in alleviating salinity and drought stress by enhancing antioxidant activity, regulating ethylene levels, and improving soil nutrient profiles.
Despite these promising findings, the authors emphasize the need for further research to elucidate the molecular mechanisms underlying the beneficial effects of Serratia spp. on plant growth and stress tolerance. This includes investigating the impact of these bacteria on gene expression related to growth and stress responses, as well as their interactions with native rhizosphere microbiota. The potential pathogenicity of some Serratia strains also warrants caution, necessitating genomic assessments to ensure safety before field applications. Overall, advancing our understanding of Serratia spp. could significantly contribute to sustainable agricultural practices and improve crop resilience to abiotic stresses.