Obiekt

Tytuł odmienny:

Różnorodność endofitycznych bakterii i ich cechy promujące wzrost roślin z nasion holopasożytniczych orobanchaceae z ekstremalnych środowisk

Abstrakt:

Rośliny w środowiskach ekstremalnych, oprócz dziedzicznych cech biochemicznych i morfologicznych, tworzą unikalne interakcję z bakteriami kolonizujący różne tkanki. Mikroorganizmy mają istotne znaczenie we wzroście i rozwoju roślin żywicielskich, jak i ich roślinnych pasożytów. Endofity roślin biorą udział w regulacji wzrostu roślin, mechanizmach obronnych poprzez wiązanie azotu, produkcję hormonów roślinnych, takich jak auksyny (IAA), solubilizację fosforanów, sideroforów i aktywność deaminazy ACC. Wykazano też, że endofity zmniejszają efekty toksyczne związków metali na rośliny. Istnieje wiele dowodów na to, że zbiorowiska mikroorganizmów związanych z roślinami odgrywają ważną rolę w adaptacji swojego żywiciela do warunków środowiskowych lub stresów abiotycznych siedlisk, w których rosną rośliny, ich korzystny wpływ na fizjologię roślin jest dobrze udokumentowany. Jednak różnorodność zbiorowisk bakterii endofitycznych w nasionach Orobanchaceae z ekstremalnych ekosystemów, ich potencjalne cechy PGP (promowanie wzrostu roślin) oraz różnorodność bakterii w nasionach nie dojrzałych i dojrzałych nie są w pełni zbadane. W prezentowanych badaniach analizowano zbiorowiska bakterii endofitycznych w nasionach roślin z rodzaju Orobanche i Cistanche, występujących w ekstremalnych siedliskach. Liczne czynniki, takie jak warunki środowiskowe, gatunek żywiciela, indywidualne cechy rośliny holopasożytmczej, mikrobiom roślin żywicielskich, struktura i właściwości fizykochemiczne gleby, mikrobiom glebowy mogą wpływać na ostateczny skład zbiorowisk bakterii endofitycznych z nasion Orobanchaceae. W naszych badaniach określiśmy wpływ warunków środowiskowych, takich jak zasolenie, ilość wody, zanieczyszczenia solami metali, na kształtowanie się zbiorowisk endofitów nasion gatunków z rodzaju Orobanche i Cistanche. Stawiamy hipotezę, że nasiona roślin holopasożytniczych będą zawierały endofity bakteryjne odpowiednie do warunków środowiskowych obszaru występowania roślin pasożytniczych, oraz że charakteryzują się cechami promującymi wzrost roślin (Plant Growth Promoting, PGP) w zależności od siedliska. Dla potwierdzenia lub wykluczenia hipotez badawczych, postawiliśmy sobie następujące cele badawcze:
1/ zidentyfikowanie endofitów bakteryjnych nasion gatunków Orobanchaceae występujących w siedliskach ekstremalnych o dużym zasoleniu lub zanieczyszczonych solami metali ciężkich, 2/ określenie potencjału biosyntezy przez endofity czynników promujących wzrost roślin (PGP). 3/ ocenione profili mikrobiomów bakteryjnych w nasionach dojrzałych i nie dojrzałych, zbieranych z przedstawicieli Orobanchaceae; roślin występujących obszarach pogómiczym, zanieczyszczonych solami metalami ciężkich oraz kontrolnych (nie zanieczyszczonych). Prezentowana praca doktorska obrazuje mikrobiomy bakterii endofitycznych w nasionach holopasożytniczych gatunków roślin z ekstremalnych środowisk w różniących się lokalizacją geograficzną: (i) zbadano dwa endemiczne gatunki holopasożytnicze Cistanche armena i C. phelypaea należące do rodzaju Cistanche, rosnące w ekstremalnych środowiskach: o wysokim zasoleniu, ale różniących się ilością dostępnej wody, (ii) Orobanche lutea należący do rodzaju Orobanche rosnący na obszarze pogómiczym, zanieczyszczonych solami metalami ciężkich. Dla realizacji celów pracy doktorskiej wykorzystano szereg metod: mikrobiologiczne, molekularne, biochemiczne, spektroskopowe, bioinformatyczne czy statystyczne. Według naszej najlepszej wiedzy prezentowane wyniki są pierwszym doniesieniem o zróżnicowaniu bakteryjnych endofitów w nasionach gatunków C. armena, C. phelypaea i O. lutea z ekosystemów ekstremalnych. Wykazaliśmy też, że badane endofity mają cechy sprzyjających wzrostowi roślinnych gospodarzy. Istotnym etapem pracy była optymalizacja procedury sterylizacji powierzchni nasion, która pozwoliła na uzyskanie wyłącznie endofitycznych zbiorowisk bakteryjnych występujących we wnętrzu nasion. W nasionach z C. armena, C. phelypaea dominowały endofyty zaliczane do grup Firmicutes, Proteobactena, Actinobactenota. Zaobserwowano zależność typów endofitycznych mikrobiomów od dostępności wody. Nasiona C. armena (z terenów (półpustynnych) zasiedlały głównie bakterie należące do Firmicutes. Są to gatunki dominujące w suchych siedliskach solankowych i pustynnych. Nasiona C. phelypaea zostały w dużych ilościach skolonizowane przez Actinobactenota - typ charakterystyczny dla ekosystemów podmokłych.
Identyfikacji w/w grup endofytów dokonano z wykorzystaniem sekwencjonowania genów lósRNA. Dla określania cech biochemicznych endofytów niebłędna była próba ich wyhodowania - co się powidło dzięki serii różnorodnych podłóż hodowlanych. Wyizolowane szczepy wykazywały wysoki poziom produkcji IAA, kwasów organicznych, sideroforów i deaminazy ACC. Najsilniejsze reakcje obserwowano w szczepach zaliczonych do klasy Bacilli, Actinomyceta i P- Proteobacteria; były one obecne w nasionach C. armena, C. phelypaea. W nasionach C. phelypaea bakterie zaliczane do klasy y-Proteobacteria były najbardziej zróżnicowaną grupą. Wykazano obecność rodzaju Micromonospora w nasionach C. phelypaea. Szczepy z rodzajów Pantoea spp., Bacillus spp. oraz Stenotrophomonas spp. w nasionach C. armena charakteryzowały silna produkcją PGP. Te holotolerancyjne bakterie mają potencjał do łagodzenia stresu osmotycznego na nasiona C. armena. W kolejnym etapie pracy zbadano profile mikrobiomów nasion O. lutea dojrzałych i nie dojrzałych, zebranych z roślin z terenów zanieczyszczonymi solami metali ciężkich i ekologiczne czystych. Z naszych badań wynika, że najwyższe stężenia związków Cr i Zn występowały w kwiatach O. lutea. Uzyskane wyniki wskazują, że dojrzałe nasiona wykazują selektywną tendencję do akumulacji składników związków metali. Wartym podkreślenia jest, że w tkankach O.lutea z zanieczyszczonej gleby, najwyższe stężenie związków Ni stwierdzono w łodygach, a zmniejszone ilości w nasionach. Inaczej niż w przpadku związków Cr i Zn, związki Pb były akumulowane przez dojrzałe nasiona O. lutea. Analizy metagenome wykazały, że mikrobiom nie dojrzałych i dojrzałych nasion O. lutea składał się z 11 rodzajów bakterii, z których Proteobacteria, Actinobacteriota i Firmicutes były grupami dominującymi. Nasze wyniki nie są zgodne z wynikami wcześniejszych badań. Wydaje się, że procedura sterylizacji była kluczowa dla bogactwa bakteryjnego młodych, niedojrzałych nasion. Zamiast agresywnych środków sterylizujących zastosowaliśmy metodę wymywania roztworami wodnymi z intensywnym wstrząsaniem. Zdefiniowaliśmy, że rodzaje bakterii Citrobacter, Erwinia i Kocuria są specyficzne dla dojrzałych pokoleń nasion z zanieczyszczonej gleby. Natomiast rodzaje Brevibacterium, Pseudomonas, Priestia, Streptomyces i Microbacterium zidentyfikowano jedynie w dojrzałych nasionach z obu stanowisk. Rodzaje Peribacillus, Promie romonospora, Sphingomonas należały do rdzenia mikrobiomu nasion O. lutea. Curtobacterium i Plantibacter wyizolowano tylko z młodych nasion z obu stanowisk. Te rodzaje są również uważane za bakterie rdzeniowe w nasionach O. lutea i mogą być przenoszone z pokolenia na pokolenie. Tendencja do akumulacji ołowiu (Pb) w dojrzałych nasionach może potencjalnie wpływać na zdolność endofitów do wytwarzania PGP. Pseudomonas spp., Microbacterium spp., Risungbinella spp. wyizolowane z nasion z gleb zanieczyszczonych metalami wykazywały największą liczbę szczepów produkujących deaminazę ACC. Zdolność do syntezy IAA, sideroforow, kwasów organicznych i deaminazy ACC stwierdzono głównie w szczepach wyizolowanych z nasion O. lutea z gleb zanieczyszczonych metalami. Natomiast szczepy wyizolowane z nasion z obszaru referencyjnego wykazywały znacznie mniej szczepów wywarzających PGP. Potwierdza to hipotezę, że bakterie endofityczne posiadają zdolności produkcji PGP co skorelowane z naturalnym środowiskiem lub stresem abiotycznym w którym występuje gospodarz (rośliny pasożytnicze). Wydaje się prawdopodobnym, że bakterie endofityczne mają potencjał łagodzenia niekorzystnych skutków stresu środowiskowego - osmotycznego czy zanieczyszczenia metalami.
In extreme environments the plants, besides hereditary biochemical and morphological features, possess a unique interaction with bacteria that colonize various tissues. These microorganisms are important players in the growth and development of their host plants in various environmental conditions. The plant endophytes are involved in regulation of plant growth and defense mechanisms by means of nitrogen-fixation, production of plant hormones like auxins (IAA), solubilization of phosphate, siderophores and ACC deaminase activity and may decrease the availability of harmful metals in plant tissues. There exists a considerable body of evidence, that the plant associated microbial communities have an important role in the adaptation of their host to the environmental conditions or abiotic stresses of the plant growing habitats; their beneficial effects on plant physiology are well documented. However, the diversity of the endophytic bacterial communities in seeds of Orobanchaceae from extreme ecosystems, their potential plant growth promoting traits, and the bacterial diversity profiling shifts during seed maturation are not fully understood. In this study, we considered the diversity of the bacterial endophytic communities of seeds of the Orobanche and Cistanche growing in extreme habitats. Numerous factors such as environmental conditions, host species, individual characteristics of the holoparasitic plant, the microbiome of the host plants of the Orobanche and Cistanche, soil structure and physicochemical characteristics, soil microbiome etc., may impact on the final composition of the endophytic bacterial communities of the seeds of Orobanchaceae. In this study we considered the effects of environmental conditions such as salinity, different soil water status and metal stress on shaping the seeds endophyte communities of Orobanche and Cistanche. We hypothesize that the seeds of holoparasitic plants harbored the bacterial endophytes appropriate to the environmental conditions of the growing area and have potential PGP traits depending on the habitat. In view of this, we aimed to identify the seed bacterial endophytes of Orobanchaceae species growing in extreme habitats under salt or metal stress and their plant growth promoting potential. Meanwhile, the shifts in bacterial diversity profiling during seed maturation under metal stress have been evaluated as well. The current PhD work demonstrates the bacterial endophytic community in seeds of holoparasitic plant species from extreme environments in distinct geographical locations: (i) two endemic holoparasitic species Cistanche armena and C. phelypaea belonging to the genus Cistanche, growing in extreme environments: high salinity but different in soil water status, (ii) Orobanche lutea belonging to genus Orobanche growing in a metal polluted mining area. To verify the stated hypothesis a range of interdisciplinary methods, such as microbiological, molecular, biochemical, spectroscopic, bioinformatic and statistics were used. The findings provide a scientific insight into the diversity of seed endophytic bacteria of holoparasitic plants in various harsh environmental conditions and their potential PGP traits in these extreme natural habitats. To the best of our knowledge it is the first report about the diversity of the bacterial seed endophytes of C. armena, C. phelypaea and O. lutea species from extreme ecosystems and the potential plant growth promoting traits of these bacteria. A crucial and primary stage was the optimization of the sterilization procedure for the seed surface that allowed me to obtain only the endophytic bacterial communities of the seeds.
For both examined seed populations of the genus Cistanche, the phyla Firmicutes, Proteobacteria, Actinobacteriota were dominating. However, depending on the soil water status, changes in the ratio of bacterial phyla were observed. The seeds of C. armena inhabited mainly bacteria belonging to Firmicutes as the predominating and most abundant phylum in arid saline habitats. The seeds of C. phelypaea were colonized in high abundance by Actinobacteriota, a characteristic phylum in wetland ecosystems. The isolated strains demonstrated high levels of IAA, organic acids, siderophores and ACC deaminase production. Among those, the classes Bacilli, Actinomyceta and β-Proteobacteria demonstrated the most positive responses in both examined seed populations. In C. phelypaea seeds, the γ-Proteobacteria was the most diverse phylogenetic group. The genus Micromonospora seems to harbor the most beneficial bacteria in seeds of C. phelypaea. Pantoea spp., Bacilllus spp. and Stenotrophomonas spp. seem the most favorable PGP seeds endophytes of C. armena. These halotolerant bacteria probably have potential to mitigate the adverse effects of salt stress on the holoparasite seeds. Possibly, they may also protect the embryo of the holoparasite against salt stress and keep the seeds viable for a long time.
The research performed in this doctoral dissertation constitutes an interdisciplinary approach to evaluate the bacterial diversity profiling of the seeds of O. lutea during seed maturation under metal stress and PGP traits of these bacteria in metal polluted soil. There are only a few species that may accumulate heavy metals and keep active metabolism. Our research demonstrates that the highest concentrations of Cr and Zn were present in flowers of O. lutea. Our results indicated that the ripe seeds have selective accumulation tendency for minerals depending on the soil pollution which had not been reported before. We highlight that in polluted soil, the highest concentration of Ni was found in stems and gradually decreased from stems to seeds, demonstrating the filtering effect. However, Pb accumulation tendency by O. lutea ripe seeds regardless of soil contamination were reported. The current results provided essential support for further analyzing the diversity of the bacterial endophytic community of O. lutea seeds under metal stress. Our findings address the differences of the community diversity with regard to metal presence in the soil and are quite different from the previous reports of researchers in regard to diversity and structure of bacterial communities inside young and ripe seeds. The bacterial richness of seeds from polluted and non-polluted sites was similar and did not changes during seed maturation. Metabarcoding revealed that the young and ripe seed microbiome of O. lutea, was mainly composed of 11 bacterial phyla from which Proteobacteria, Actinobacteriota and Firmicutes as predominating groups.
Our findings are not consistent with the results of earlier studies. It seems that the sterilization procedure was crucial for bacterial richness in young seeds. Instead of aggressive sterilizing agents we used the washing method with intensive shaking. We assumed that metal stress, environmental and climatic conditions, the holoparasitic plant species and host genotypes influence the seed endophytic community diversity. We defined that the bacterial genera Citrobacter, Erwinia and Kocuria are specific for ripe seed generations from polluted soil. The genera Brevibacterium, Pseudomonas, Priestia, Streptomyces and Microbacterium were found only in ripe seeds from both sites. However, the genera Peribacillus, Promicromonospora, Sphingomonas seemed to belong to the core microbiome of O. lutea seeds. Curtobacterium and Plantibacter were isolated only from the young seeds from both sites. These genera are also considered to be a core bacteria in O. lutea seeds and may be transferred from generation to generation. The accumulation tendency of lead (Pb) in ripe seeds may potentially influence the PGP ability of endophytes. Pseudomonas spp., Microbacterium spp., Risungbinella sp. isolated from the seeds from metal polluted soils displayed the highest numbers of ACC deaminase positive responses. The IAA, siderophore, organic acids and ACC deaminase activity were predominantly found in strains isolated from O. lutea seed from metal polluted soils. In contrast, the strains isolated from the seeds from the reference area that demonstrated significantly lower positive responses. This supported the hypothesis that endophytic bacteria possess the PGP traits correlated with the natural habitat or abiotic stresses of their hosts. We assume that these endophytic bacteria have potential to mitigate the adverse effects of salt or metal stress in the seeds and plants the holoparasite. To elucidate the effective benefits of these endophytic bacteria for their host plants, and specifically for the seeds, seed germination and development of the seedling, more research is required.

Uwagi:

Zawiera bibliografię ; Zawiera ilustracje ; PhD Thesis performed in Department of Microbiology, Institute of Biology Jan Kochanowski University in Kielce, Poland and Centre for Environmental Sciences, Hasselt University, Belgium

Identyfikator:

oai:bibliotekacyfrowa.ujk.edu.pl:12010

Katalog komputerowy:

kliknij tutaj, żeby przejść

Język:

angielski

Uzyskany tytuł:

doktor

Data uzyskania stopnia:

29.11.2023

Instytucja nadająca tytuł:

Uniwersytet Jana Kochanowskiego w Kielcach

Promotor:

Kaca, Wiesław (1950- ) ; Vangronsveld, Jaco ; Thijs, Sofie. Promotor pomocniczy

Recenzent:

Jaroszuk-Ściseł, Jolanta ; Dziewit, Łukasz ; Panosyan, Hovik

Dziedzina nauki:

Dziedzina nauk ścisłych i przyrodniczych

Dyscyplina naukowa:

Nauki biologiczne

Wydział:

Wydział Nauk Ścisłych i Przyrodniczych

Typ:

rozprawa doktorska

Prawa dostępu:

tylko w Oddziale Informacji Naukowej

Stan publikacji:

niepublikowana