Biological Control as an Alternative Method of Protecting Crops Against Fungal Pathogens

• Autorzy: Kisiel Anna

Warianty tytułu

PL

Zwalczanie biologiczne jako alternatywna metoda ochrony upraw przed patogenami grzybowymi

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Progressive degradation of the environment caused, among others, by the excessive use of chemical pesticides forces us to look for alternative methods of protecting crops against pathogens. Definitely beneficial for the environment, but also, as confirmed by numerous studies, the use of biological control mechanisms can be an effective solution. The bacteria can inhibit the growth of fungi through the production of enzymes that lyse their cell walls, such as chitinases and glucanases, but also by limiting the availability of microelements important to growth, such as iron, by chelating them to siderophores, and finally producing antibiotics and secondary metabolites, like 2,4-DAPG. The present study examined 16 strains of bacteria isolated from Medicago sativa rhizosphere for their suitability for the control of fungal pathogens such as Fusarium culmorum and Phoma medicaginis. Among of bacteria were strains belonging to the family Bacillaceae (genus Bacillus, Lysinibacillus and Paenibacillus), the family Pseudomonadaceae (genus Pseudomonas), the family Xantomonadaceae (genus Stenotrophomonas) of the Enterobacteriaceae family (genus Citrobacter, Leclercia and Raoultella) and of the family Rhizobiaceae (genus Sinorhizobium). In vitro, both on solid and liquid media, all bacterial strains were able to limit the growth of Fusarium culmorum and Phoma medicaginis. The effective inhibitors of Fusarium culmorum Cul-3 were Roultella planticola KK 8a, Pseudomonas corrugata KK 12, and both strains belonging to Stenotrophomonas maltophilia KK 8b and KK 9b. Limiting the development of the second Medicago pathogen, Phoma medicaginis, was the most effective after the use of Pseudomonas corrugata KK 7, Leclercia adecarboxylata KK 6 and Pseudomonas brassicacearum KK 5. By studying the mechanisms that may be potential for bacteria to inhibit the growth of fungi was tested production of lytic enzymes the cell walls, and siderophores. All bacterial strains showed β-1,3-glucanase activity in the range of 2.3 to 72.5 μmol glucose /mg protein/min. Five strains showed chitinolytic activity, with Stenotrophomonas maltophilia KK 8b being the most active. Thirteen of the 16 analyzed strains of rhizobacteria were able to produce iron chelating compounds, siderophores. In addition, the presence of the phlD gene was confirmed in Pseudomonas brassicacearum KK 5 and P. corrugata KK 12, which may indicate the production of 2,4-DAPG. The results obtained indicate that the bacteria isolated from the rhizosphere have the potential for biological control of fungal pathogens, which limit the plant cultivation, using various mechanisms. The use of rhizobacteria as biopesticides is an environmentally friendly alternative to chemical plant protection products.

PL

Postępująca degradacja środowiska spowodowana między innymi nadmiernym wykorzystywaniem chemicznych środków ochrony roślin zmusza nas do poszukiwania alternatywnych metod zabezpieczania upraw przed patogenami. Zdecydowanie korzystnym dla środowiska ale również, jak potwierdzają liczne badania, skutecznym rozwiązaniem może być wykorzystanie mechanizmów zwalczania biologicznego. Bakterie mogą ograniczyć rozwój patogenów grzybowych poprzez produkcję enzymów lizujących ich ściany komórkowe, takich jak chitynazy i glukanazy ale także poprzez ograniczenie dostępności ważnych dla ich wzrostu mikroelementów, jak żelazo, chelatując je do sideroforów, czy wreszcie produkując grzybobójcze antybiotyki i metabolity wtórne, jak 2,4-DAPG.W niniejszych badaniach przeanalizowano 16 szczepów bakterii wyizolowanych z ryzosfery Medicago sativa pod kątem ich przydatności do zwalczania patogenów grzybowych takich jak Fusarium culmorum i Phoma medicaginis. Wśród bakterii były szczepy należące do rodziny Bacillaceae (rodzaju Bacillus, Lysinibacillus i Paenibacillus), z rodziny Pseudomonadaceae (rodzaju Pseudomonas), z rodziny Xantomonadaceae (rodzaju Stenotrophomonas), z rodziny Enterobacteriaceae (rodzaju Citrobacter, Leclercia i Raoultella) oraz z rodziny Rhizobiaceae (rodzaju Sinorhizobium). W warunkach in vitro zarówno na pożywkach stałych jak i płynnych wszystkie analizowane szczepy bakterii były zdolne do ograniczenia wzrostu Fusarium culmorum oraz Phoma medicaginis. Do skutecznych inhibitorów rozwoju Fusarium culmorum Cul 3 należy zaliczyć szczepy Roultella planticola KK 8a, Pseudomonas corrugata KK 12, oraz oba szczepy należące do Stenotrophomonas maltophilia KK 8b i KK 9b. Ograniczenie rozwoju drugiego patogena Medicago, tj. grzyba Phoma medicaginis było najskuteczniejsze po zastosowaniu szczepów Pseudomonas corrugata KK 7, Leclercia adecarboxylata KK 6 i Pseudomonas brassicacearum KK 5. Badając mechanizmy, które mogą stać za potencjałem bakterii do hamowania wzrostu grzybów sprawdzono produkcję enzymów lizujących ściany komórkowe oraz sideroforów. Wszystkie szczepy bakterii wykazywały aktywność β-1,3-glukanazy w zakresie od 2,3 do 72,5 μmol glukozy/mg białka/min. Pięć szczepów wykazało aktywność chitynolityczną, największą aktywnością charakteryzował się szczep Stenotrophomonas maltophilia KK 8b. Trzynaście z 16 analizowanych szczepów ryzobakterii było zdolnych do produkcji związków chelatujących żelazo, sideroforów. Ponadto u Pseudomonas brassicacearum KK 5 i P. corrugata KK 12 potwierdzono obecnośc genu phlD, co może świadczyć o produkcji 2,4-DAPG. Jak wynika z przeprowadzonych badań bakterie izolowane z ryzosfery posiadają potencjał do zwalczania patogenów grzybowych ograniczających uprawy, wykorzystując do tego szereg mechanizmów. Zastosowanie ryzobakterii jako biopestycydy jest przyjazną dla środowiska alternatywą dla chemicznych środków ochrony roślin.

Słowa kluczowe

EN

fungal pathogens; biological control; rhizobacteria

PL

patogeny grzybowe; zwalczanie biologiczne; ryzobakterie

• Wydawca: Politechnika Koszalińska
• Czasopismo: Rocznik Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2019
• Tom: Tom 21, cz. 2
• Strony: 1366--1377
• Opis fizyczny: Bibliogr. 31 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Kisiel Anna

• University of Szczecin, Poland

Bibliografia

• 1. Ahmad F., Ahmad I., Khan M.S. (2008). Screening of free-living rhizospheric bacteria for their multiple plant growth promoting activities. Microbial Res, 163 (Suppl 2):173-81.
• 2. Alexander D.B., Zuberer D.A. (1991). Use of chrome azurol S reagents to evaluate siderophore production by rhizosphere bacteria. Biol Fert Soil 12: 39-45.
• 3. Beneduzi A., Ambrosini A., Passaglia L.M.P. (2012). Plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR): Their potential as antagonists and biocontrol agents. Gen Mol Biol 35:1044-1051.
• 4. Bolwerk A., Lugtenberg B.J. (2005). Visualization of interactions of microbial biocontrol agents and phytopathogenic fungus Fusarium oxysporum f. sp. Radicis-lycopersici on tomato roots. In: PGPR: Biocontrol and Biofertilization. Ed. Siddiqui Z.A., Springer, 217-231.
• 5. Compant S., Brion D., Jerzy N., Christophe C., Essaïd A. B. (2005). Use of Plant Growth- Promoting Bacteria for biocontrol of plant diseases: principles, mechanisms of action and future prospects. Appl Environ Microbiol 71:4951-4959.
• 6. Dowling D.N., Sexton R., Fenton A. (1996). Iron regulation in plant-associated Pseudomonas fluorescens M114: implications for biological control. in Molecular Biology of Pseudomonads, Nakazawa T., Furukawa K., Haas D., Silver S., Eds, American Society for Microbiology Press, Washington, DC, USA, p. 502-511.
• 7. Gewin V. (2010). Food: An underground revolution. Nature 466: 552-553.
• 8. Glick B.R. (2012). Plant Growth-Promoting Bacteria: Mechanisms and Applications. Hindawi Publishing Corporation, Scientifica.
• 9. Gomaa E.Z. (2012). Chitinase production by Bacillus thuringiensis and Bacillus licheniformis: their potential in antifungal biocontrol. J Microbiol 50: 103-111.
• 10. Guevara Y., Lukezic F. (2000). Survival of a Pseudomonas putida strain antagonistic to Phoma medicaginis var. medicaginis on leaves of alfalfa. Manejo Integrado de Plagas 55: 24-29.
• 11. Kalitkiewicz A., Kępczyńska E. (2008). Wykorzystanie ryzobakterii do stymulacji wzrostu roślin. Biotechnologia 81: 102-114.
• 12. Kamil Z., Rizk M., Saleh M., Moustafa S. (2007). Isolation and identification of rhizosphere soil chitinolytic bacteria and their potential in antifungal biocontrol. Glob J Mol Sci 2: 57-66.
• 13. Khan M.R., Fischer S., Egan D., Doohan F.M. (2006). Biological control of Fusarium seedling blight disease of wheat and barley. Phytopathol 96: 386-394.
• 14. Kisiel A., Kępczyńska E. (2016). Medicago truncatula Gaertn. as a model for understanding the mechanism of growth promotion by bacteria from rhizosphere and nodules of alfalfa. Planta 243: 1169-1189.
• 15. Kisiel A., Kępczyńska E. (2017). Chitynazy bakteryjne i ich wykorzystanie w biotechnologii. Postępy mikrobiologii, 56, 306-315.
• 16. Kołwzan B., Adamiak W., Grabas K., Pawełczyk A. (2006). Introduction to environmental microbiology: Microbiology of soil. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław: 7-39.
• 17. Kumar N.P., Audipudi A.V. (2015). Exploration of a novel plant growth promoting bacteria Stenotrophomonas maltophilia AVP27 isolated from the chilli rhizosphere soil. Internat J Engineer Res General Sci 3: 265-276.
• 18. Kwak Y.-S., Weller D.M. (2013). Take-all of wheat and natural disease suppression: a review. Plant Pathol J 29: 125-135.
• 19. Lim H., Kim Y., Kim S. (1991). Pseudomonas stutzeri YLP-1 genetic transformation and antifungal mechanizm against Fusarium solani, an agent of plant Root rot. Appl Environ Microbiol 57: 510-516.
• 20. Lugtenberg B., Kamilova F. (2009). Plant-growth-promoting rhizobacteria. Ann Rev Microbiol 63: 541-556.
• 21. Luján A.M., Gómez P., Buckling A. (2015). Siderophore cooperation of the bacterium Pseudomonas fluorescens in soil. Biol Lett 11: 20140934.
• 22. Maksimov I., Abizgil'dina R., Pusenkova L. (2011). Plant growth promoting rhizobacteria as alternative to chemical crop protectors from pathogens. Appl Biochem Microbiol 47: 333-345.
• 23. McNear Jr. D.H. (2013). The Rhizosphere - Roots, Soil and Everything In Between. Nature Education Knowledge 4: 1.
• 24. Morrissey J., Dow J., Mark G., O'Gara F. (2004). Are microbes at the root of a solution to world food production? EMBO rept. 5: 922-926.
• 25. Mrabet M., Abdellatif E., Zribi K., Mhamdi R., Djébali N. (2011). Sinorhizobium meliloti can protect Medicago truncatula from infection by Phoma medicagenis. Phytopathol Mediterranea 50: 183-191.
• 26. Raaijmakers J.M., Weller D.M., Thomashow L.S. (1997). Frequency of antibiotic-producing Pseudomonas spp. in natural environments. Appl Environ Microbiol 63: 881-887.
• 27. Rodriguez-Kabana R., Godoy G., Morgan-Jones G., Shelby R.A. (1983). The determination of soil chitinase activity. Conditions for assay and ecological studies. Plant Soil 75:95-106.
• 28. Slimene B.I., Tabbene O., Gharbi D., Mnasri B., Schmitter J.M., Urdaci M.C., Limam F. (2015). Isolation of a chitinolytic Bacillus licheniformis S213 strain exerting a biological control against Phoma medicaginis infection. Appl Biochem Biotechnol 175: 3494-506.
• 29. Wahyudi A.T., Astuti R.I., Giyanto (2011a). Screening of Pseudomonas sp. isolated from rhizosphere of soybean plant as plant growth promoter and biocontrol agent. Am J Agric Biol Sci 6: 134-141.
• 30. Wahyudi A.T., Astuti R.P., Widyawati A., Meryandini A.A., Nawangsih A.A. (2011b). Characterization of Bacillus sp. strains isolated from rhizosphere of soybean plants for their use as potential plant growth for promoting rhizobacteria. J Microbiol Antimicrob 3: 34-40.
• 31. Whipps J.M. (2001). Microbial interactions and biocontrol in the rhizosphere. J Exp Bot 52: 487-511.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).