Ризобактерии для снижения биотического стресса яровой пшеницы (Triticum aestivum L.), вызванного фитопатогенными грибами

Ведение: Урожайность пшеницы в значительной степени зависит от фитопатогенной нагрузки почв и семенного материала. В сложных климатических условиях Кузбасса актуален поиск биологических средств защиты пшеницы для обеспечения продовольственной безопасности региона.

Цель исследования – оценить ростостимулирующие свойства и антагонистическую активность бактериальных изолятов ризосферы пшеницы, и отобрать перспективные варианты для создания коммерческих препаратов биофунгицидной направленности.

Материалы и методы: Для выделения перспективных штаммов ризобактерий использовали последовательное культивирование ризосферы пшеницы на безазотистой питательной среде, на среде с труднорастворимым соединением фосфора и на среде с низким содержанием питательных элементов. Для отбора репрезентативных изолятов исследовали индекс всхожести семян; способность к фиксации азота и солюбилизации фосфора. Для изолятов, характеризующихся высокой активностью, исследовали способность синтезировать фитогормоны спектрофотометрическим методом и антагонистическую активность в отношении фитопатогенов методом агаровых блоков. Идентификацию перспективных ризобактерий осуществляли по биохимическим признакам. Исследование влияния бактериальных изолятов на рост и развитие пшеницы в условиях биотического стресса осуществляли согласно общепринятым методикам.

Результаты: : В ходе исследования выделили 17 изолятов, 2 из которых характеризовались максимальной активность по ростостимулирующим и антагонистическим показателям. Биохимическая идентификация показала, что ими являлись Bacillus velezensis и Pantoea ananatis. Для Bacillus velezensis характерны следующие ростостимулирующие свойства: фиксация азота (850 мкг/мл), солюбилизация фосфора (1,60 см), индекс всхожести (1,26), синтез индолил-3-уксусной кислоты (8,16 мг/мл), гиббереллиновой кислоты (366,90 мкг/мл) и кинетина (11,86 мкг/мл). Штамм Pantoea ananatis проявлял следующие ростостимулирующие свойства: фиксация азота (80 мкг/мл), солюбилизация фосфора (2,00 см), индекс всхожести (1,19) синтез индолил-3-уксусной кислоты (9,00 мг/мл), гиббереллиновой кислоты (346,20 мкг/мл) и кинетина (6,28 мкг/мл). Штаммы обладали высокой антагонистической активностью в отношении фитопатогенных грибов Fusarium graminearum F-877, Botrytis cinerea F-1006, Bipolaris sorokiniana F-529. Испытания штаммов на зараженных фитопатогенами семенах пшеницы показали, что они успешно снижают биотический стресс растений. 

Выводы: Перспективно дальнейшее использование штаммов в качестве агентов биологического контроля для разработки комплексных препаратов, направленных на улучшение питания пшеницы.

1. Кулясов, П. А., Халгаева, К. Э. (2020). Окрашивания усовершенствованным методом по Ганс Кристиану Граму для идентификации живого биологического возбудителя ракового новообразования молочной железы кошки. Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии, 3, 28–34.

2. Плотников, С. Е., Латкова, Е. В. (2020). Перспективы эффективности возделывания яровой пшеницы (на примере Кузбасса). Инновационная наука, 4, 79–81.

3. Ржевская, В. С., Семенова, Е. Ф., Зайцев, Г. П., Сластья, Е. А., Омельченко, А. В., Бугара, И. А., Теплицкая, Л. М., Цокало, И. Е. (2021). Антагонистическое действие молочнокислых бактерий и их консорциума с дрожжами на патогенные микроорганизмы. Биотехнология, 37(5), 96–107. https://doi.org/10.21519/0234-2758-2021-37-5-96-107

4. Фасхутдинова, Е. Р., Голубцова, Ю. В., Неверова, О. А., Ларичев, Т. А., Хорошкина, Н. Н. (2023). Перспективы использования эндофитных и экстремофильных микроорганизмов в борьбе с фитопатогенами сельскохозяйственных культур (обзор). Аграрная наука Евро-Северо-Востока, 24(5), 720–738. https://doi.org/10.30766/2072-9081.2023.24.5.720-738

5. Цугкиев, Б. Г., Мкртычан, М. В. (2013). Морфологические и культуральные свойства микроорганизмов, выделенных из пищеварительного тракта c «Морфологические и культуральные свойства микроорганизмов, выделенных из пищеварительного тракта» диких животных. Известия Горского государственного аграрного университета, 50(3), 270–273.

6. Abdenaceur, R., Farida, B. T., Mourad, D., Rima, H., Zahia, O., Fatma, S. H. (2022). Effective biofertilizer Trichoderma spp. isolates with enzymatic activity and metabolites enhancing plant growth. International Microbiology, 25(4), 817–829. https://doi.org/10.1007/s10123-022-00263-8

7. Asyakina, L. K., Serazetdinova, Yu. R., Frolova, A. S., Fotina, N. V., Neverova, O. A., & Petrov, A. N. (2023). Antagonistic activity of extremophilic bacteria against phytopathogens in agricultural crops. Food Processing: Techniques and Technology, 53(3), 565–575. https://doi.org/10.21603/2074-9414-2023-3-2457

8. Asyakina, L. K., Vorob'eva, E. E., Proskuryakova, L. A., Zharko, M. Yu. (2023). Evaluating extremophilic microorganisms in industrial regions. Foods and Raw Materials, 11(1), 162–171. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2023-1-556

9. Azizi, M. M. F., Zulperi, D., Rahman, M. A. A., Abdul-Basir, B., Othman, N. A., Ismail, S. I., Hata, E. M., Ina-Salwany, M. Y., & Abdullah, M. A. F. (2019). First report of Pantoea ananatis causing leaf blight disease of rice in peninsular Malaysia. Plant Disease, 103, Article 2122. https://doi.org/10.1094/PDIS-01-19-0191-PDN

10. Batool, S., & Iqbal, A. (2019). Phosphate solubilizing rhizobacteria as alternative of chemical fertilizer for growth and yield of Triticum aestivum (Var. Galaxy 2013). Saudi J Biol Sci. 26, 1400–1410. https://doi.org/10.1016/j.sjbs.2018.05.024

11. Belkebla, N., Bessai, S. A., Melo, J., Caeiro, M. F., Cruz, C., & Nabti, E.-h. (2022). Restoration of Triticum aestivum growth under salt stress by phosphate-solubilizing bacterium isolated from Southern Algeria. Agronomy, 12(9), Article 2050. https://doi.org/10.3390/agronomy12092050

12. Brauer, V. S., Rezende, C. P., Pessoni, A. M., De Paula, R. G., Rangappa, K. S., Nayaka, S. C., Gupta, V. K., & Almeida, F. (2019). Antifungal agents in agriculture: Friends and foes of public health. Biomolecules, 9, Article 521. https://doi.org/10.3390/biom9100521

13. Carcea, M. (2020). Nutritional value of grain-based foods. Foods, 9(4), Article 504. https://doi.org/10.3390/foods9040504

14. Chen, L., Heng, J., Qin, S., & Bian, K. (2018). A comprehensive understanding of the biocontrol potential of Bacillus velezensis LM2303 against Fusarium head blight. PLoS One, 13, Article e0198560. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0198560

15. Cordova-Rodriguez, A., Rentería-Martínez, M. E., López-Miranda, C. A., Guzmán-Ortíz, J. M., & Moreno-Salazar, S. F. (2022). Simple and sensitive spectrophotometric method for estimating the nitrogen-fixing capacity of bacterial cultures. MethodsX, 9, Article 101917. https://doi.org/10.1016/j.mex.2022.101917

16. Dinesh, R., Srinivasan, V., Praveena, R., Subila, K. P., George, P., Das, A., Shajina, O., Anees, K., Leela, N. K., & Haritha, P. (2022). Exploring the potential of P solubilizing rhizobacteria for enhanced yield and quality in turmeric (Curcuma longa L.). Industrial Crops and Products, 189, Article 115826. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2022.115826

17. El-Gremi, S. M., Draz, I. S., & Youssef, W. A.-E. (2017). Biological control of pathogens associated with kernel black point disease of wheat. Crop Protection, 91, 13–19. https://doi.org/10.1016/j.cropro.2016.08.034

18. Fazle, R. M., & Baek, K.-H. (2020). Antimicrobial activities of lipopeptides and polyketides of Bacillus velezensis for agricultural applications. Molecules, 25, Article 4973. https://doi.org/10.3390/molecules25214973

19. Giraldo, P., Benavente, E., Manzano-Agugliaro, F., & Gimenez, E. (2019). Worldwide research trends on wheat and barley: A bibliometric comparative analysis. Agronomy, 9, Article 352. https://doi.org/10.3390/agronomy9070352

20. Gupta, R., Anshu, Noureldeen, A., & Darwish, H. (2021). Rhizosphere mediated growth enhancement using phosphate solubilizing rhizobacteria and their tri-calcium phosphate solubilization activity under pot culture assays in Rice (Oryza sativa.). Saudi J Biol Sci, 28, 3692–3700. https://doi.org/10.1016/j.sjbs.2021.05.052

21. Husna, Hussain, A., Shah, M., Hamayun, M., Iqbal, A., Qadir, M., Alataway, A., Dewidar, A. Z., Elansary, H. O., & Lee, I.-J. L. (2023). Phytohormones producing rhizobacteria alleviate heavy metals stress in soybean through multilayered response. Microbiological Research, 266, Article 127237. https://doi.org/10.1016/j.micres.2022.127237

22. Karthika, S., Varghese, S., & Jisha, M. S. (2020). Exploring the efficacy of antagonistic rhizobacteria as native biocontrol agents against tomato plant diseases. 3 Biotech, 10, Article 320. https://doi.org/10.1007/s13205-020-02306-1

23. Khumairah, F. H., Setiawati, M. R., Fitriatin, B. N., Simarmata, T., Alfaraj, S., Ansari, M. J., Enshasy, H. A. E., Sayyed, R. Z., & Najafi, S. (2020). Halotolerant plant growth-promoting rhizobacteria isolated from saline soil improve nitrogen fixation and alleviate salt stress in rice plants. Front. Microbiol, 13, Article 905210. https://doi.org/10.3389/fmicb.2022.905210

24. Liu, X., Chen, C., Wang, J., Zou, S., & Long, X. (2021). Phosphorus solubilizing bacteria Bacillus thuringiensis and Pantoea ananatis simultaneously promote soil inorganic phosphate dissolution and soil Pb immobilization. Rhizosphere, 20, Article 100448. https://doi.org/10.1016/j.rhisph.2021.100448

25. Lu, L., Chang, M., Han, X., Wang, Q., Wang, J., Yang, H., Guan, Q., & Dai, S. (2021). Beneficial effects of endophytic Pantoea ananatis with ability to promote rice growth under saline stress. Journal of Applied Microbiology, 131, 1919–1931. https://doi.org/10.1111/jam.15082

26. Martynenko, E., Arkhipova, T., Safronova, V., Seldimirova, O., Galin, I., Akhtyamova, Z., Veselov, D., Ivanov, R., & Kudoyarova, G. (2022). Effects of phytohormone-producing rhizobacteria on casparian band formation, ion homeostasis and salt tolerance of durum wheat. Biomolecules, 12, Article 230. https://doi.org/10.3390/biom12020230

27. Migunova, V. D., Tomashevich, N. S., Konrat, A. N., Lychagina, S. V., Dubyaga, V. M., D'Addabbo, T., Sasanelli, N., & Asaturova, A. M. (2021). Selection of bacterial strains for control of root-knot disease caused by Meloidogyne incognita. Microorganisms, 9, Article 1698. https://doi.org/10.3390/microorganisms9081698

28. Nining, H., Elkawakib, S., Burhanuddin, R., & Feranita, H. (2021). Isolation and characterization of N-fixing and IAA producing rhizobacteria from two rice field agro-ecosystems in South Sulawesi, Indonesia. Biodiversitas, 22, 2497–2503. https://doi.org/10.13057/biodiv/d220506

29. Parashar, M., Dhar, S. K., Kaur, J. A., Chauhan, A., Tamang, J., Singh, G. B., Asyakina, L., Perveen, K., Khan, F., Bukhari, N. A., Mudgal, G., & Gururani, M. A. (2023). Two novel plant-growth-promoting Lelliottia amnigena isolates from Euphorbia prostrata Aiton enhance the overall productivity of wheat and tomato. Plants, 12, Article 3081. https://doi.org/10.3390/plants12173081

30. Patel, T., & Saraf, M. (2017). Biosynthesis of phytohormones from novel rhizobacterial isolates and their in vitro plant growth-promoting efficacy. J. Plant Interact, 12(1), 480–487. https://doi.org/10.1080/17429145.2017.1392625

31. Pellegrini, M., Ercole, C., Zio, C. D., Matteucci, F., Pace, L., & Gallo, M. D. (2020). In vitro and in planta antagonistic effects of plant growth-promoting rhizobacteria consortium against soilborne plant pathogens of Solanum tuberosum and Solanum lycopersicum. FEMS Microbiology Letters, 367, Article fnaa099. https://doi.org/10.1093/femsle/fnaa099

32. Ranadev, P., Nagaraju, K., Ramaiah, M., & Kumari, R. (2019). Studies on isolation, characterization and in-vitro screening of plant growth promoting rhizobacteria from rhizospheric soil of chrysanthemum (Dendranthema grandiflora Tzvelev.). International Journal of Current Microbiology and Applied Sciences, 8, 790–803. https://doi.org/10.20546/ijcmas.2019.806.096

33. Ren, X., Zhang, Q., Zhang, W., Mao, J., & Li, P. (2020). Control of aflatoxigenic molds by antagonistic microorganisms: inhibitory behaviors, bioactive compounds, related mechanisms, and influencing factors. Toxins, 12, Article 24. https://doi.org/10.3390/toxins12010024

34. Renoud, S., Bouffaud, M.-L., Dubost, A., Prigent-Combaret, C., Legendre, L., Moënne-Loccoz, Y., & Muller, D. (2020). Co-occurrence of rhizobacteria with nitrogen fixation and/or 1-aminocyclopropane-1-carboxylate deamination abilities in the maize rhizosphere. FEMS Microbiology Ecology, 96, Article fiaa062. https://doi.org/femsec/fiaa062

35. Shin, G. Y., Schachterle, J. K., Shyntum, D. Y., Moleleki, L. N., Coutinho, T. A., & Sundin, G. W. (2019). Functional characterization of a global virulence regulator Hfq and identification of Hfq-dependent sRNAs in the plant pathogen Pantoea ananatis. Front Microbiol, 10, Article 2075. https://doi.org/10.3389/fmicb.2019.02075

36. Sun, X., Xu, Z., Xie, J., Hesselberg-Thomsen, V., Tan, T., Zheng, D., Strube, M. L., Dragoš, A., Shen, Q., Zhang, R., & Kovács, Á.T. (2022). Bacillus velezensis stimulates resident rhizosphere Pseudomonas stutzeri for plant health through metabolic interactions. ISME J, 16, 774–787. https://doi.org/10.1038/s41396-021-01125-3

37. Toaza, A., Caiza, R. B., Garrido, A. D., Moreno, C. R., Guevara, J., Regalado, H., Flores, F. J., Ramos, L. A., & Garrido, P. A. (2021). First report of Pantoea ananatis causing leaf spot disease of maize in Ecuador. Plant Disease, 105, Article 3286. https://doi.org/10.1094/pdis-02-21-0298-pdn

38. Toh, W. K., Loh, P. C., & Wong, H. L. (2019). First report of leaf blight of rice caused by Pantoea ananatis and Pantoea dispersa in Malaysia. Plant Disease, 103, 1764–1764. https://doi.org/10.1094/PDIS-12-18-2299-PDN

39. Torres, M., Llamas, I., Torres, B., Toral, L., Sampedro, I., & Béjar, V. (2020). Growth promotion on horticultural crops and antifungal activity of Bacillus velezensis XT1. Applied Soil Ecology, 150, Article 103453. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2019.103453

40. Voitenkova, E. V., Matveeva, Z. N., Makarova, M. A., & Egorovaets, S. A. (2018). Difficulties in identification of Comamonas kerstersii strains isolated from intestinal microbiota of residents of republic of Guinea and Russian federation. Russian Journal of Infection and Immunity, 8(2), 164–168. http://dx.doi.org/10.15789/2220-7619-2018-2-163-168