Бактерии, стимулирующие рост растений, как ключевой инструмент для будущего сельского хозяйства: агрономические, молекулярные и омические подходы (аннотация)
#эндосимбионты #омика #холобионты #бактериальная биостимуляция #сельскохозяйственная микробиология #ризосферные микроорганизмы #биоудобрение #биологизация сельскохозяйственного производства
Бактерии, стимулирующие рост растений (БСРР), являются фундаментальным инструментом в сельском хозяйстве будущего, поскольку механизмы, которые они демонстрируют, являются ключевыми в повышении эффективности сельского хозяйства, увеличении интеграции в окружающую среду и снижении экологического ущерба.
Эти бактерии способны взаимодействовать с сельскохозяйственными культурами на разных уровнях, как через прямые механизмы, такие как фиксация азота или солюбилизация фосфатов, так и через косвенные механизмы, такие как индукция системной резистентности или конкуренция за пространство через образование биопленок.
В последние годы, благодаря использованию омических методов (геномика, транскриптомика, протеомика, иономика и метаболомика), мы начинаем понимать глубину взаимодействия растений и микроорганизмов и определять холобионт (термин “холобионт” объединяет организм хозяина и населяющие его коренные микроорганизмы - прим.ред.) с учетом последствий, которые это имеет для стратегий проектирования в сельском хозяйстве. Эти новые подходы показали, что углубленное изучение взаимодействий между БСРР и сельскохозяйственными культурами необходимо для понимания того, как модулировать и направлять получение питательных веществ и улучшение состояния растений посредством применения БСРР.
Основной целью данного обзора исследований является выяснение взаимодействия между растениями и микроорганизмами путем применения омических методов и использования междисциплинарных подходов. В рамках данного обзора было рассмотрено 14 статей, обеспечивающих более глубокое понимание взаимодействия растений и микроорганизмов в сельскохозяйственных системах и последствий для повышения продуктивности сельскохозяйственных культур.
Nordstedt и Jones изучили потенциал Serratia plymuthica MBSA-MJ1 в качестве БСРР, показав полезность геномного анализа и способность этого штамма улучшать развитие и жизнеспособность цветочных культур Petunia hybrida (петуния), Impatiens walleriana (импатиенс) и Viola wittrockiana (анютины глазки), а также увеличивать развитие корней, побегов и листьев и поглощение питательных веществ.
Dobrzyński et al. также оценили способность видов Bacillus pumilus, изучив штаммы B. pumilus W8, B. pumilus LZP02, B. pumilus JPVS11, B. pumilus TUAT-1, B. pumilus TRS-3 и B. pumilus EU927414 для улучшения производства растений. Авторы наблюдали улучшение вегетативных параметров, содержания веществ (аминокислот, белков и жирных кислот) и окислительных ферментов. Некоторые штаммы также показали высокую способность модулировать ризосферу хозяев. С другой стороны, изучение ризосферы, разнообразие которой еще не изучено, имеет важное значение для поиска новых инокулянтов.
Li et al. описали Paenibacillus monticola, новую бактерию, которая продемонстрировала важную способность стимулировать развитие в Arabidopsis и Trifolium repens.
Ni et al. оценили влияние консорциума из Aspergillus niger MJ1, Pseudomonas stutzeri DSM4166 и мутантного штамма P. fluorescens CHA0-nif на качество салата и огурцов. Авторы обнаружили положительное влияние на производство этих овощей и модуляцию популяций микроорганизмов, связанных с этими культурами, с обогащением Pyrinomonadaceae и Blastocatellia. Применение БСРР в сельском хозяйстве является инструментом для повышения эффективности сельскохозяйственных культур, как было показано Yu et al. на примере применения Pseudomonas sp. JP233, фосфат солюбилизирующей бактерии, которая улучшила поглощение этого питательного вещества кукурузой без увеличения вымывания фосфатов.
Инокуляция некоторых штаммов БСРР может оказывать решающее влияние на ризосферу, например, Serratia marcenscens X-45, инокуляция которой не только улучшает вегетативные и продуктивные параметры Indigofera pseudotinctoria, но и увеличивает численность Bradyrhizobium, эндосимбионта этого бобового растения, с 1 до 42% в его ризосфере, как показали Zheng et al. Эта стратегия работы также была использована Deng et al. для изучения in silico потенциала B. aryabhattai LAD в качестве БСРР, выявления основных генов, вовлеченных в механизмы стимулирования роста, и корреляции с улучшением развития кукурузы.
Chai et al. изучили метод оценки БСРР, определив, что из-за производства липопептидогликанов, а также необходимости адаптации метода инокуляции к культуре, грамположительные бактерии менее чувствительны к используемому методу адгезии, чем грамотрицательные бактерии.
Использование вермикомпоста и мельничного компоста в сочетании с Bradyrhizobium sp. было изучено в работе da Silva et al. Авторы показали увеличение числа таксонов, относящихся к Sphingobacteriaceae, Chitinophaga и Actinobacteria, а также обогащение Erysiphe diffusa и Thanatephorus cucumeris, относящихся к фитопатогенам.
Devarajan et al. оценили использование статистических методов интеграции данных, а именно: анализа главных компонентов объединенных данных, множественного коинерционного анализа и множественного обучения, для улучшения отбора БСРР. Они продемонстрировали, что методы интеграции данных могут дополнить подход анализа данных одной таблицы и обеспечить лучшее понимание процесса отбора штаммов микроорганизмов.
Сложность взаимодействий между растениями и микроорганизмами оказывается весьма значительной, причем такие факторы, как ферменты (например, сериновая протеаза Sp1 из B. licheniformis), участвующие в процессах биоконтроля, способны вызывать повышение регуляции 150 дифференциально экспрессированных генов (ДЭГ) и понижение регуляции 209 ДЭГ с помощью технологии RNA-seq.
Yang et al. продемонстрировали возможность новых стратегий применения бактериальных биоудобрений или их производных. Еще один аспект, изучаемый в последние годы, - роль летучих органических соединений в стимулировании роста и здоровья растений. He et al. показали, что производство летучих органических соединений Streptomyces sp. TOR3209 увеличивает экспрессию генов, связанных с улучшением развития растений, таких как UDP-гликозилтрансфераза или глутаматные рецепторы.
Кроме того, не только точность применяемых анализов, но и использование метатранскриптомных методов позволило провести протеомное исследование симбиосом в Phaseolus vulgaris, инокулированных в Rhizobium etli CFN42. В работе Taboada-Castro et al. показаны различия в производстве изоферментов, связанных с условиями развития эндосимбионта, что позволяет понять транскрипционные регуляции и разработать стратегии инокуляции.
Что касается применения обработок для улучшения адаптации культур, Xiao et al. продемонстрировали, что внекорневое применение мелатонина вызвало транскриптомную модификацию на листьях сои и изменило виды микробного сообщества ризосферы, но не альфа-разнообразие, что отличается от обработки мочевиной. Их исследование показывает, как внекорневое применение мелатонина может повлиять на урожайность сои.
В заключение следует отметить, что изучение потенциала новых биоудобрений необходимо для разработки биоудобрений, повышающих эффективность сельского хозяйства, посредством исследований in silico и in planta. Этот аспект должен быть дополнен транскрипционными исследованиями для понимания и уточнения механизмов стимулирования растений, используемых этими бактериями, знание которых позволит создать новые стратегии бактериальной биостимуляции.
