Application of metabolites secreted by plant growth-promoting rhizobacteria to selected crops, as an approach to foster food systems sustainability
Author(s)
Melini, Francesca
Date Issued
March 28, 2023
Type
Doctoral Thesis
Abstract
The present Ph.D. research project falls within the framework of the efforts made by the
scientific community to identify new technologies for sustainable agriculture. The project
specifically dealt with plant growth-promoting (PGP) bacteria which have emerged as a
promising alternative to agrochemicals and a new frontier of investigation. PGP bacteria are
known to produce phytohormones such as auxins, which play a crucial role in cell elongation
and organogenesis, root initiation, apical dominance, tropisms, and senescence. The action of
PGP bacteria thus makes plants more vigorous in the face of abiotic stresses, helps plants to
tolerate harsh growing conditions, which can be deleterious for their growth and can reduce,
on the long-term, crop yields, and makes plants less vulnerable to disease. By helping plants to
cope better in the face of stress, microbial biostimulants help ensure the resilience of food
systems.
The project specifically aimed to investigate two PGPB strains (i.e., Pantoea
agglomerans strain C1 and Enterobacter sp. strain P-36), recently isolated by the research
group of Prof. Ruzzi and collaborators, as possible candidates for production of novel plant
postbiotics. A multidisciplinary approach, comprising fermentation technology, molecular
genetics, metabolomics, and agronomics, was made.
Results showed that the two strains are major auxin producers, especially in a vegetal
peptone medium which responds to the recent needs by the biostimulants industry of
identifying alternative peptones free from animal-derived components. The production of
auxins in shake flasks was maximized by the application of the Response Surface
Methodology, which has been more and more recognized as an imperative technique to
optimize specific responses influenced by variables. In addition, the production of auxins by
the two studied PGP bacteria strains was scaled-up by cultivating them on bench-top
fermenters.
The application of the cell-free metabolites secreted by P. agglomerans strain C1 to
tomato seedlings and microcuttings of woody species (i.e., pear, peach, and hazelnut) showed
that the treatment elicits plant growth by boosting adventitious rooting, in terms of increased
root surface area and total leaf area, as well as earlier and shorter rooting time, and more regular
adventitious roots’ arrangement. The plant growth-promoting traits of strain C1 were confirmed by the annotation of the
sequence of the full genome and by transcriptomic analysis. Strain C1 genome sequencing also
allowed the identification of genes conferring plant-resistance to heavy metals such as arsenic.
This finding is of paramount importance, as it is known that anthropogenic and natural sources
of arsenic exist in soils, and the use of contaminated water for crops and vegetables irrigation
is the main pathway for arsenic to enter the human food chain, creating a potential health risk.
The analysis of strain exometabolites by untargeted and targeted metabolomics turned
out to be an important tool for the design and development of biostimulant products having
balanced cocktails of metabolites associated with PGP traits.
The study thus demonstrated that P. agglomerans strain C1 and Enterobacter sp. strain
P-36 are two major auxin producers. However, their metabolites should be applied to further
and/or more agricultural and horticultural crops, also in different situations of abiotic stress, in
order to understand their mechanisms of action, as well as their effect on plant primary and
secondary metabolism leading to the synthesis and accumulation of antioxidant molecules
which are important for human diet.
Additional information
Dottorato di ricerca in Scienze, tecnologie e biotecnologie per la sostenibilità
Sponsor(s)
Il progetto di dottorato si inserisce nell’ambito dello sviluppo da parte della comunità
scientifica di nuove tecnologie per un’agricoltura ecosostenibile. In particolare, le attività sono
ricadute nello studio dei batteri promotori della crescita delle piante (PGP) come alternativa
sostenibile ai prodotti chimici applicati sino ad oggi. I batteri PGP sono in grado di produrre
fitormoni, come ad esempio le auxine, che stimolano l’organogenesi, lo sviluppo dell’apparato
radicale, la dominanza apicale, il tropismo e la senescenza nelle piante. I meccanismi d’azione
dei batteri PGP rendono quindi le piante più vigorose e in grado di sopravvivere in situazioni
di stress abiotici, che spesso sono deleteri per la crescita e la sopravvivenza della pianta, nonché
per il raccolto. Aiutando le piante a sopravvivere in situazioni di stress, i biostimolanti
microbici aiutano ad assicurare la resilienza dei sistemi alimentari.
Lo scopo del lavoro è stato quello di studiare due ceppi di batteri PGP (Pantoea
agglomerans ceppo C1 ed Enterobacter sp. ceppo P-36), isolati recentemente dal gruppo di
lavoro del Prof. Ruzzi, come possibili candidati alla produzione di postbiotici. Nel progetto è
stato applicato un approccio multidisciplinare, comprendente metodi microbiologici, geneticomolecolari,
agronomici e di metabolomica.
La sperimentazione ha mostrato che i due ceppi sono importanti produttori di auxine, in
modo particolare quando vengono coltivati in un terreno di coltura a base di peptone di pisello
ed estratto di lievito. L’utilizzo di ingredienti “animal-free” in questo terreno di coltura
risponde alle esigenze emergenti dell’agroindustria di prediligere composti di origine vegetale.
La produzione delle auxine in beute è stata massimizzata applicando l’approccio statistico della
Response Surface Methodology, che sta diventando imprescindibile ogniqualvolta si voglia
ottimizzare una o più risposte influenzate da variabili. Inoltre, la coltivazione dei due ceppi in
fermentatore ha consentito di fare uno scale-up del processo di produzione di auxine da parte
dei due ceppi.
Gli esperimenti con talee di pomodoro e di specie arboree, come pero, pesco e nocciolo,
hanno evidenziato che P. agglomerans ceppo C1 produce metaboliti in grado di favorire la
radicazione di talee, sia in termini di tempo (i metaboliti favoriscono una radicazione più
precoce rispetto all’ormone sintetico IBA) che di numerosità e spessore delle radici.
I tratti promotori della crescita osservati nelle talee sono stati confermati dalle analisi di
genetica e trascrittomica. L’analisi genetica ha consentito di ottenere il genoma del ceppo C1 e di individuare geni legati alla tolleranza ai metalli pesanti come l’arsenico. Questo aspetto è di
grande importanza, in quanto è noto che l’uso di acqua contaminata da arsenico nell’irrigazione
è tra le principali vie d’ingresso nella filiera agroalimentare, ove pone un potenziale rischio
sanitario.
L’analisi metabolomica ha confermato la presenza di composti ad azione antimicrobica
e composti promotori della crescita della pianta nel brodo prodotto dal ceppo di P.
agglomerans. L’applicazione della metabolomica si è, inoltre, rivelata uno strumento
fondamentale da applicare in futuro per lo sviluppo di prodotti aventi una bilanciata presenza
di metaboliti ad azione promotrice della crescita delle piante.
Si può concludere, quindi, che le attività di ricerca condotte nell’ambito di questo
progetto hanno mostrato che i due ceppi, P. agglomerans ceppo C1 and Enterobacter sp. ceppo
P-36, sono importanti batteri promotori della crescita delle piante. Tuttavia, è auspicabile che i
metaboliti da loro prodotti vengano applicati ad altre colture, anche in situazioni di stress, per
comprenderne i meccanismi d’azione, nonché per studiarne l’effetto sul metabolismo primario
e secondario della pianta che porta alla sintesi di molecole antiossidanti, molto importanti per
la salute dell’uomo.
scientifica di nuove tecnologie per un’agricoltura ecosostenibile. In particolare, le attività sono
ricadute nello studio dei batteri promotori della crescita delle piante (PGP) come alternativa
sostenibile ai prodotti chimici applicati sino ad oggi. I batteri PGP sono in grado di produrre
fitormoni, come ad esempio le auxine, che stimolano l’organogenesi, lo sviluppo dell’apparato
radicale, la dominanza apicale, il tropismo e la senescenza nelle piante. I meccanismi d’azione
dei batteri PGP rendono quindi le piante più vigorose e in grado di sopravvivere in situazioni
di stress abiotici, che spesso sono deleteri per la crescita e la sopravvivenza della pianta, nonché
per il raccolto. Aiutando le piante a sopravvivere in situazioni di stress, i biostimolanti
microbici aiutano ad assicurare la resilienza dei sistemi alimentari.
Lo scopo del lavoro è stato quello di studiare due ceppi di batteri PGP (Pantoea
agglomerans ceppo C1 ed Enterobacter sp. ceppo P-36), isolati recentemente dal gruppo di
lavoro del Prof. Ruzzi, come possibili candidati alla produzione di postbiotici. Nel progetto è
stato applicato un approccio multidisciplinare, comprendente metodi microbiologici, geneticomolecolari,
agronomici e di metabolomica.
La sperimentazione ha mostrato che i due ceppi sono importanti produttori di auxine, in
modo particolare quando vengono coltivati in un terreno di coltura a base di peptone di pisello
ed estratto di lievito. L’utilizzo di ingredienti “animal-free” in questo terreno di coltura
risponde alle esigenze emergenti dell’agroindustria di prediligere composti di origine vegetale.
La produzione delle auxine in beute è stata massimizzata applicando l’approccio statistico della
Response Surface Methodology, che sta diventando imprescindibile ogniqualvolta si voglia
ottimizzare una o più risposte influenzate da variabili. Inoltre, la coltivazione dei due ceppi in
fermentatore ha consentito di fare uno scale-up del processo di produzione di auxine da parte
dei due ceppi.
Gli esperimenti con talee di pomodoro e di specie arboree, come pero, pesco e nocciolo,
hanno evidenziato che P. agglomerans ceppo C1 produce metaboliti in grado di favorire la
radicazione di talee, sia in termini di tempo (i metaboliti favoriscono una radicazione più
precoce rispetto all’ormone sintetico IBA) che di numerosità e spessore delle radici.
I tratti promotori della crescita osservati nelle talee sono stati confermati dalle analisi di
genetica e trascrittomica. L’analisi genetica ha consentito di ottenere il genoma del ceppo C1 e di individuare geni legati alla tolleranza ai metalli pesanti come l’arsenico. Questo aspetto è di
grande importanza, in quanto è noto che l’uso di acqua contaminata da arsenico nell’irrigazione
è tra le principali vie d’ingresso nella filiera agroalimentare, ove pone un potenziale rischio
sanitario.
L’analisi metabolomica ha confermato la presenza di composti ad azione antimicrobica
e composti promotori della crescita della pianta nel brodo prodotto dal ceppo di P.
agglomerans. L’applicazione della metabolomica si è, inoltre, rivelata uno strumento
fondamentale da applicare in futuro per lo sviluppo di prodotti aventi una bilanciata presenza
di metaboliti ad azione promotrice della crescita delle piante.
Si può concludere, quindi, che le attività di ricerca condotte nell’ambito di questo
progetto hanno mostrato che i due ceppi, P. agglomerans ceppo C1 and Enterobacter sp. ceppo
P-36, sono importanti batteri promotori della crescita delle piante. Tuttavia, è auspicabile che i
metaboliti da loro prodotti vengano applicati ad altre colture, anche in situazioni di stress, per
comprenderne i meccanismi d’azione, nonché per studiarne l’effetto sul metabolismo primario
e secondario della pianta che porta alla sintesi di molecole antiossidanti, molto importanti per
la salute dell’uomo.