Praca doktorska
Ładowanie...
Bioprospecting plant growth-promoting bacteria and their secondary metabolites for the alleviation of drought stress and plant disease management in agriculture
| dc.abstract.en | Agriculture is particularly vulnerable to climate change due to its direct dependence on weather conditions. The growing severity of abiotic and biotic stresses associated with climate change is greatly diminishing crop productivity. Among all abiotic stresses, drought is a significant environmental stressor that reduces the availability of irrigation water and can lead to crop failures, especially in rainfed agricultural systems. In parallel, crops are increasingly susceptible to fungal and other pathogen infections, as climate change exacerbates the spread and impact of these harmful organisms. The extensive use of chemical fertilizers and pesticides affects the environment and accelerates climate change. Addressing these challenges necessitates the adoption of sustainable and eco-friendly agricultural practices. Plant growth-promoting bacteria (PGPB) offer a promising solution by enhancing plant growth, controlling phytopathogens, and mitigating stress without contributing harmful residues, from cultivation through to postharvest. By reducing the reliance on chemical inputs, PGPB play a crucial role in promoting sustainable agriculture. This research investigated the diverse applications of selected PGPB with various plant growth promotion (PGP) and biocontrol traits, particularly in mitigating drought stress and managing plant diseases. Initially, the study aimed to isolate, identify, characterize, and select PGPB strains with notable bio-stimulation and biocontrol potential. A total of 156 bacterial strains were isolated from different samples like vegetable roots, rhizospheric soil of cereal crops, and desert sand. These isolates were screened for bio-stimulation and biocontrol potential, with ten of the most potent isolates exhibiting diverse PGP and biocontrol attributes. Furthermore, selected isolates were tested for their abiotic stress tolerance mainly salinity, pH, and drought. These isolates demonstrated tolerance to salinity up to 6%, pH levels up to 8, and drought stress at -0.75 MPa. Following a step-by-step screening process for multiple PGP traits, the Pseudomonas protegens ML15 isolate was chosen for further investigation. The study delved deeper into the PGP traits of a selected exopolysaccharides (EPS)- producing bacterium and evaluated its efficacy in bolstering rapeseed resilience against drought stress. P. protegens ML15, identified as a highly effective EPS producer with multiple PGP traits, was shown to enhance rapeseed resilience to drought significantly. This was evidenced by improving germination percentage, seedling length, rapeseed plant height, biomass, protein content, proline content, phenolic content, and antioxidant enzyme activity, along with reducing levels of malondialdehyde (MDA). These results suggest P. protegens ML15 as a promising bioinoculant for improving rapeseed growth under drought conditions, offering both ecological and economic benefits. Since, a strain mixture as a biocontrol agent offers a range of advantages, including enhanced efficacy, a broader spectrum of activity, increased stability, and improved colonization. The effectiveness of bacterial-fungal co-inoculation was investigated as a biocontrol strategy against Fusarium infections in wheat crops. This dual inoculation approach utilized the complementary actions of bacterial and fungal agents, increasing the variety and quantity of antifungal metabolites, and creating a more hostile environment for pathogens. Furthermore, the synergistic interaction between Trichoderma koningiopsis Tr21 and P. protegens ML15 not only suppressed the pathogen but also promoted plant growth, highlighting the potential of using strain mixtures as an effective biocontrol strategy. The study further assessed the efficacy of P. protegens ML15 in combating post-harvest gray mold rot caused by Botrytis cinerea. Among the ten bacterial strains tested, ML15 proved to be the most effective one in inhibiting pathogenic fungal growth. ML15 application not only significantly reduced fungal infections but also preserved the postharvest quality of tomatoes. Additionally, the potential use of EPS produced by ML15 as an edible coating was explored. Due to their biodegradability, non-toxicity, antimicrobial, anti-inflammatory, and antioxidant properties, EPS coatings offer health benefits and help preserve food quality. EPS production was optimized using response surface methodology (RSM), resulting in a 73.6% increase, yielding 821.68 µg mL⁻¹ compared to 216.94 µg mL⁻¹ under unoptimized conditions. The EPS exhibited strong antioxidant and antifungal activities. In vivo experiments demonstrated that coating of tomatoes with EPS reduced post-harvest gray mold rot and maintained the quality of tomatoes. In conclusion, this study highlights the significant potential of PGPB, specifically P. protegens ML15, in enhancing crop resilience and advancing sustainable agriculture. ML15 exhibited strong biostimulatory, biocontrol, and stress tolerance properties, effectively mitigating drought stress and suppressing phytopathogens during pre- and post-harvest stages. The research confirmed that P. protegens ML15, with its diverse capabilities, holds great promise as a biofertilizer and biocontrol agent. Its application can contribute to the development of more resilient and sustainable agricultural practices, especially in the context of climate change-induced stresses. |
| dc.abstract.pl | Ze względu na swoją bezpośrednią zależność od warunków pogodowych, rolnictwo jest działem gospodarki szczególnie wrażliwym na zmiany klimatyczne. Spośród wszystkich stresorów abiotycznych, susza jest najdotkliwszym czynnikiem środowiskowym, który istotnie wpływa na uprawy, zwłaszcza w systemach rolnictwa zależnych od wody deszczowej. Jednocześnie, zmiany klimatyczne sprzyjają rozprzestrzenianiu się szkodliwych dla roślin fitopatogenów oraz zwiększają intensywność infekcji. Z kolei nadmierne stosowanie nawozów chemicznych i pestycydów wpływa negatywnie na środowisko i przyspiesza dalsze zmiany klimatyczne. Wdrożenie zrównoważonych i przyjaznych dla środowiska praktyk rolniczych jest niezbędne, aby podołać wszystkim tym wyzwaniom. Bakterie promujące wzrost roślin (PGPB) oferują obiecujące rozwiązanie, wspomagając wzrost roślin, kontrolując fitopatogeny oraz łagodząc stres środowiskowy, a przy tym nie pozostawiając szkodliwych odpadów. Możliwość uniezależnienia się od środków chemicznych sprawia, że PGPB odgrywają obecnie kluczową rolę w promowaniu zrównoważonego rolnictwa. Niniejszy projekt miał na celu zbadanie różnych zastosowań wybranych bakterii wykazujących cechy umożliwiające biokontrolę fitopatogenów oraz promocję wzrostu roślin, ze szczególnym naciskiem na szczepy, które umożliwiają łagodzenie skutków suszy. Pierwszym celem było wyizolowanie, zidentyfikowanie i scharakteryzowanie PGPB o istotnym potencjale biostymulacyjnym i biokontrolnym. W pierwszym etapie wyizolowano 156 szczepów bakterii z różnych próbek, takich jak korzenie warzyw, ryzosfera upraw zbóż oraz piasek pustynny. Po przebadaniu izolatów pod kątem potencjału biostymulacyjnego i biokontrolnego, dziesięć najbardziej obiecujących zostało wybranych do dalszych eksperymentów. Wyselekcjonowane izolaty były następnie testowane pod kątem tolerancji na stres abiotyczny, głównie na zasolenie, pH i wysychanie. Wybrane szczepy wykazały tolerancję na zasolenie do 6% NaCl, tolerowały pH do 8 oraz suszę na poziomie -0,75 MPa. Do dalszych badań, w wyniku wieloetapowego procesu selekcji został wybrany izolat Pseudomonas protegens ML15. Badanie zidentyfikowało P. protegens ML15 jako wysoce efektywnego producenta egzopolisacharydy (EPS) charakteryzującego się wieloma cechami związanymi z promocją wzrostu roślin, który znacząco poprawiał odporność rzepaku na suszę. Dowodem na to była poprawa wskaźników kiełkowania, zwiększenie długości siewek, długości roślin rzepaku i ich biomasy, zawartości białka, proliny, związków fenolowych oraz aktywności enzymów antyoksydacyjnych, a także obniżenie poziomu dialdehydu maleinowego (MDA). Wyniki te wskazują, że P. protegens ML15 jest obiecującym bioinokulantem, który może poprawić wzrost rzepaku w warunkach suszy, przynosząc zarówno korzyści ekologiczne, jak i ekonomiczne. Z danych literaturowych wiadomo, że zastosowanie mieszaniny szczepów jako środka do biokontroli rozwoju fitopatogenów oferuje szereg zalet, w tym zwiększoną skuteczność, szersze spektrum działania, większą stabilność oraz lepszą kolonizację w stosunku do zastosowania pojedynczego szczepu. Z tego powodu zbadano skuteczność bakteryjno grzybowej inokulacji jako strategii biokontroli infekcji Fusarium w uprawach pszenicy. To podejście podwójnej inokulacji pozwoliło na wykorzystanie uzupełniających się aktywności bakteryjnych i grzybowych oraz zwiększenie różnorodności i ilości metabolitów grzybobójczych, a tym samym lepszą biokontrolę fitopatogenów. Synergistyczna interakcja między Trichoderma koningiopsis Tr21 a P. protegens ML15 doprowadziła nie tylko do zahamowania rozwoju patogenu, ale również wspomogła wzrost roślin, co jest istotną wartością dodaną tej aplikacji. W badaniu oceniono również skuteczność P. protegens ML15 w zwalczaniu atakującej plony szarej pleśni, wywoływanej przez Botrytis cinerea. Spośród 10 testowanych szczepów bakteryjnych, ML15 okazał się najskuteczniejszy w hamowaniu wzrostu patogennego grzyba. Aplikacja ML15 nie tylko znacząco zmniejszyła infekcje grzybowe, ale także umożliwiła zachowanie jakości zebranych pomidorów. Dodatkowo zbadano potencjalne zastosowanie EPS produkowanego przez szczep ML15 jako jadalnej powłoki ochronnej dla poplonu. Dzięki swojej biodegradowalności, nietoksyczności oraz właściwościom przeciwdrobnoustrojowym, przeciwzapalnym i antyoksydacyjnym, powłoki z EPS oferują korzyści zdrowotne i pomagają w zachowaniu jakości żywności. Produkcja EPS przez szczep ML15 została zoptymalizowana przy użyciu metodologii RSM, co doprowadziło do wzrostu o 73,6%, uzyskując 821,68 µg mL⁻¹ badanych substancji w porównaniu do 216,94 µg mL⁻¹ w warunkach nieoptymalizowanych. EPS szczepu ML15 wykazał silne właściwości antyoksydacyjne i przeciwgrzybiczne, a eksperymenty in vivo wykazały, że powlekanie pomidorów EPS zmniejszyło występowanie szarej pleśni. Podsumowując, niniejsze badanie podkreśla znaczący potencjał PGPB, a w szczególności P. protegens ML15, w zwiększaniu odporności upraw na fitopatogeny i wspieraniu zrównoważonego rolnictwa. Szczep ML15 wykazuje silne właściwości biostymulacyjne, biokontrolne i tolerancję na stres, skutecznie łagodząc skutki suszy oraz hamując rozwój fitopatogenów zarówno przed jak i po żniwach/zbiorach. Dzięki swoim różnorodnym właściwościom P. protegens ML15 wykazuje duży potencjał jako bionawóz i środek biokontrolii. Jego zastosowanie może przyczynić się do rozwoju bardziej zrównoważonych praktyk rolniczych, zwłaszcza w kontekście zmian spowodowanych katastrofą klimatyczną. |
| dc.affiliation | Uniwersytet Warszawski |
| dc.affiliation.department | Wydział Biologii |
| dc.affiliation.institute | Instytut Mikrobiologii |
| dc.contributor.author | Ajijah, Nur |
| dc.date.accessioned | 2025-02-20T10:06:26Z |
| dc.date.available | 2025-02-20T10:06:26Z |
| dc.date.defence | 2025-03-10 |
| dc.date.issued | 2025-02-25 |
| dc.date.submitted | 2024-10-11 |
| dc.description.promoter | Dziewit, Łukasz |
| dc.description.promoter | Pranaw, Kumar |
| dc.description.reviewer | Frąc, Magdalena |
| dc.description.reviewer | Hrynkiewicz, Katarzyna |
| dc.description.reviewer | Łojkowska, Ewa |
| dc.description.version | final_author |
| dc.identifier.apd | 237014 |
| dc.identifier.orcid | 0000-0003-3936-4074 |
| dc.identifier.uri | https://repozytorium.uw.edu.pl//handle/item/166163 |
| dc.language | en |
| dc.language.other | pl |
| dc.rights | ClosedAccess |
| dc.subject.en | agriculture |
| dc.subject.en | biocontrol |
| dc.subject.en | climate changes |
| dc.subject.en | drought stress |
| dc.subject.en | exopolysaccharides |
| dc.subject.en | phytopathogenic fungi |
| dc.subject.en | plant growth-promoting bacteria |
| dc.subject.en | secondary metabolites |
| dc.subject.pl | rolnictwo |
| dc.subject.pl | biokontrola |
| dc.subject.pl | zmiany klimatyczne |
| dc.subject.pl | stres suszy |
| dc.subject.pl | egzopolisacharydy |
| dc.subject.pl | grzyby fitopatogenne |
| dc.subject.pl | bakterie wspomagające wzrost roślin |
| dc.subject.pl | metabolity wtórne |
| dc.title | Bioprospecting plant growth-promoting bacteria and their secondary metabolites for the alleviation of drought stress and plant disease management in agriculture |
| dc.title.alternative | Bioprospekcja bakterii wspomagających wzrost roślin i ich metabolitów wtórnych w celu łagodzenia stresu suszy oraz kontroli chorób roślin w rolnictwie |
| dc.type | DoctoralThesis |
| dspace.entity.type | Publication |