Airborne exposure of Rhizobium to volatile organic compounds: biochemical effects on cells challenged or not by cadmium

Abstract

Rhizobia are soil bacteria that promote the growth of legume plants. The growth and persistence of these bacteria may be limited by several factors, such as cadmium (Cd). Increasing concentrations of Cd in soil triggers different mechanisms in bacterial cells in order to tolerate stress. The production of volatile organic compounds (VOCs), resulting from the secondary metabolism of bacteria, may be a way to overcome stress situations. In this thesis the effects of five monoterpenes (α-pinene, limonene, eucalyptol, linalool and menthol) and four sulfur compounds (dimethyl sulfide (DMS), dimethyl disulfide (DMDS), dimethyl trisulfide (DMTS) and methyl thioacetate (MTA)) on growth, oxidative status and antioxidant mechanisms of Rhizobium leguminosarum E20-8 were studied, to test the hypothesis that these VOCs could influence rhizobial growth and tolerance to cadmium. The results obtained during this study showed that different compounds have different effects on Rhizobium E20-8, not being related to the chemical family to which they belong. The tested monoterpenes displayed antibacterial activity (linalool, limonene, menthol), or antioxidant properties (α-pinene and eucalyptol) in the absence of Cd. In the presence of Cd only limonene (1 and 100 mM) and eucalyptol (100 nM) were able to induce cell growth. The tested sulfur compounds generally triggered similar antioxidant mechanisms in Rhizobium. Although volatile sulfur compounds did not affect growth, they were able to reduce the oxidative stress of cells, having a membrane-protective effect (DMDS and DMTS) and thus minimizing Cd toxicity. The low concentrations of volatiles tested allow us to predict that these effects may occur in the soil ecosystem, influencing the growth and tolerance of bacterial cells whether they are under stress or not. This study contributes to better understand the effect of volatile compounds on the interactions of soil-dwelling organisms. The contribution is especially important on the influence that these compounds may have in environmental stress contexts

Os rizóbios são bactérias do solo que promove o crescimento de leguminosas. O crescimento e a persistência destas bactérias pode ser limitado por diversos fatores, como por exemplo o cádmio (Cd). O aumento das concentrações de Cd no solo desencadeia diferentes mecanismos nas células de forma a tolerar o stress. A produção de compostos orgânicos voláteis (VOCs), resultantes do mecanismo secundário das bactérias, pode ser um dos mecanismos a que estas bactérias recorrem como forma de tolerar situações de stress. Nesta tese foram estudados os efeitos de cinco monoterpenos (α-pineno, limoneno, eucaliptol, linalol e mentol) e quatro compostos de enxofre (dimetil sulfeto (DMS), dimetil dissulfeto (DMDS), dimetil trissulfeto (DMTS) e metil tioacetato (MTA)) no crescimento, estado oxidativo e mecanismos antioxidantes em Rhizobium leguminosarum na estirpe E20-8, com o intuito de testar a hipótese de que a exposição aérea a estes VOCs poderiam influenciar o crescimento e tolerância de rizóbio ao cádmio. Os resultados obtidos durante este estudo permitiram verificar efeitos diversos de cada um dos compostos em Rhizobium E20-8 que também divergiam com o stresse (exposição ou não a Cd). Deste modo foi possível provar que os efeitos divergem entre VOCs da mesma família química. Na ausência de Cd os monoterpenos testados apresentam atividade antibacteriana (linalol, limoneno, mentol), ou propriedades antioxidantes (α-pineno e eucaliptol). Na presença de Cd apenas o limoneno (1 e 100 mM) e o eucaliptol (100 nM) foram capazes de induzir o crescimento das células. De um modo geral, os compostos de enxofre testados desencadeiam mecanismos antioxidantes semelhantes. Apesar dos compostos voláteis de enxofre não afetarem o crescimento, são capazes de reduzir o stress oxidativo das células, tendo um efeito protetor a nível das membranas (DMDS e DMTS) e deste modo minimizando a toxicidade do Cd. As baixas concentrações de voláteis testadas permitem-nos prognosticar que estes efeitos poderão ocorrer no ecossistema do solo, influenciando o crescimento e a tolerância das células bacterianas quer estas se encontrem ou não em stresse. Este estudo contribui para compreender melhor o efeito dos compostos voláteis nas interações dos organismos que habitam o solo. O contributo é especialmente importante na influência que estes compostos possam ter em contextos de stresse ambiental