Bacterial-induced plant growth promotion under drought: the importance of airborne communication

Abstract

Plants harbor bacteria which can provide them with benefits such as growth promotion, enhancement of nutrient uptake, defense against pathogens and predators, and improvement of tolerance to abiotic factors such as drought. The development of biotechnological applications using these bacteria has been the focus of research and interest from the scientific community and agricultural sector. While crops have received significant attention, plant species growing in natural environments were neglected and should also be explored. This is particularly important in the paradigm of climate change and its threat to plant productivity, especially due to drought and desertification. This thesis aimed to study the diversity of bacteria living in legume root nodules from wild areas in continental Portugal., to understand if the site of origin and climate conditions influence bacterial osmotolerance, and to evaluate the plant growth promotion abilities of bacterial strains towards the non-legume plant model Arabidopsis thaliana. The bacterial strains isolated from different wild legume species were characterized by BOX-PCR and partial 16S rRNA gene sequencing. These strains, which belonged mainly to the genera Flavobacterium and Pseudomonas, were used to evaluate their plant growth promoting abilities (production of siderophores, indol acetic acid, emission of volatiles) and their tolerance to osmotic stress. A representative set of strains from the different genera was used to study the mechanisms behind the response to osmotic stress (osmolytes and antioxidant mechanisms). It was possible to suggest intracellular alginate as a new mechanism of bacterial osmotolerance. In this thesis, a particular focus has been given to the mechanism of plant growth promotion by bacterial volatiles. The volatile metabolites released by two bacterial strains (Flavobacterium sp. D9 and Rhizobium sp. E20-8) were captured using solid-phase microextraction and analyzed by gas chromatography – mass spectrometry and two-dimensional gas chromatography – mass spectrometry. The effects of bacterial volatiles emission on several physiological and biochemical endpoints of A. thaliana were also evaluated, in control and osmotic stress (drought). Globally, the results of this thesis evidenced the potential of wild legume plant species as sources of bacteria promoting the growth and tolerance to drought of plant species, including legumes and non-legumes, which should be the used as an agricultural practice to increase crop production, particularly in drought conditions.

As plantas são habitadas por bactérias que lhes podem trazer benefícios, como por exemplo a promoção do seu crescimento, a melhoria da aquisição de nutrientes, defesa contra agentes patogénicos e predadores, e melhoria da tolerância a fatores abióticos como por exemplo a seca. O desenvolvimento de aplicações biotecnológicas utilizando estas bactérias desde há muito que interessa a comunidade científica e o setor da agricultura. Enquanto que as espécies de plantas cultivadas têm recebido bastante atenção, as espécies de plantas a crescer em ambientes naturais têm sido negligenciadas e também devem ser exploradas nesse sentido. Este interesse é redobrado num contexto de ameaça à produtividade agrícola por parte das alterações climáticas, e em particular a seca e associada desertificação. Esta tese teve como objetivos explorar a diversidade de bactérias existentes nos nódulos das raízes de plantas leguminosas a crescer em ambiente selvagem em Portugal continental, perceber se as condições edafoclimáticas do local de origem afetam a osmotolerância das bactérias, e avaliar as capacidades de promoção de crescimento de uma planta modelo, não leguminosa, a Arabidopsis thaliana. As estirpes bacterianas isoladas a partir de várias espécies de plantas leguminosas a crescer em Portugal continental foram caracterizadas por BOX-PCR fingerprinting e amplificação parcial e sequenciação do gene que codifica para o 16S rRNA. Estas estirpes, predominantemente dos géneros Flavobacterium e Pseudomonas, foram utilizadas para avaliar a sua capacidade de evidenciar capacidades promotoras do crescimento das plantas (produção de sideróforos, ácido indol acético, emissão de compostos voláteis) e a sua tolerância ao stress osmótico. Um conjunto representativo de estirpes de diferentes géneros foi utilizado para estudar os mecanismos de resposta ao stress osmótico (osmólitos e mecanismos antioxidantes), tendo sido possível apontar o alginato intracelular como um possível novo mecanismo de osmotolerância bacteriana. Nesta tese, um enfoque particular foi dado ao mecanismo de promoção de crescimento de plantas através da emissão de metabolitos voláteis pelas bactérias. Os metabolitos voláteis emitidos por duas estipes bacterianas (Flavobacterium sp. D9 e Rhizobium sp. E20-8), promotoras do crescimento de A. thaliana, foram captados por microextração em fase sólida e analisados por cromatográfica gasosa e cromatografia gasosa bidimensional e espectrometria de massa. Foram também avaliados os efeitos da emissão de voláteis em diversos parâmetros fisiológicos e bioquímicos das plantas, em condições controlo e condições de stress osmótico (seca). Globalmente, os resultados desta tese evidenciam o potencial das espécies de leguminosas selvagens como fontes de bactérias que promovem o crescimento e tolerância à seca de espécies de plantas, incluindo leguminosas e não leguminosas, e que devem ser usadas como prática agrícola para aumentar a produtividade, particularmente em condições de seca.