Rhizobacterial promotion of maize growth and drought tolerance: perpectives from the laboratory, greenhouse and field

Abstract

Due to climate changes, global temperature is projected to increase 1.5 °C or more. Consequentially, drought is expected to impact over 50% of the arable lands by 2050, affecting several crops, including maize, which is the third main food crop in the world. In fact, maize yield globally is expected to suffer a reduction of 15% because of drought stress. On the other hand, world population is predicted to reach 9 billion by 2050. Thus, there is the need to ensure food availability and security, to respond to an increased need to feed the growing population. In this context, rhizobacteria emerge as a more sustainable alternative or complement to chemical fertilizers. These bacteria exist naturally in the soil and are used to promote plant growth, and induce tolerance to abiotic factors, like drought, and are therefore called plant growth promoting rhizobacteria. Several strains have been applied in crops as biofertilizers, increasing productivity. Hence, this thesis aimed to explore the process of development of biofertilizers composed by plant growth promoting bacteria. To achieve that, maize plants were inoculated with rhizobacteria isolated from wild legumes, as well as with rhizobacteria isolated from maize plants and were grown in greenhouse under irrigated and drought conditions to screen for potential candidates to apply in the field. Posteriorly, in the field tests, maize yield was assessed to determine plant growth, and biochemical parameters were analyzed to understand how rhizobacteria inoculation improved maize development. Results evidenced maize growth and drought stress mitigation in the greenhouse, and biochemical parameters analyzed reveal the positive effect of bacterial inoculation, in the field. Additionally, rhizobacteria were isolated from maize plants growing under three levels of water deficit to understand if there would be any differences in their characteristics. Growth promotion abilities were evaluated as well as osmotolerance. In fact, microbial community associated with maize roots was affected by drought. Nevertheless, several strains were able to produce siderophores and bacteria isolated from conditions subject to water deficit had a lower osmotolerance. In general, the results of this thesis evidenced the potential of rhizobacteria to be applied in maize crops to mitigate drought stress and improve growth, ultimately increasing crop production.

Devido às alterações climáticas, prevê-se uma subida na temperatura mundial igual ou superior a 1.5 °C. Consequentemente, espera-se que a seca impacte mais de 50% da terra arável, afetando várias colheitas, incluindo o milho, que é a terceira principal colheita mundial. De facto, antecipa-se que a produtividade do milho a nível mundial diminua cerca de 15% devido ao stress hídrico. Por outro lado, a população mundial continua a aumentar, atingindo potencialmente 9 mil milhões até 2050. Logo, é fundamental garantir a disponibilidade de alimentos e segurança alimentar, de modo a responder às necessidades de uma população humana cada vez maior. Neste contexto, as rizobactérias surgem como uma alternativa mais sustentável ou um complemento ao uso de fertilizantes químicos. Estas bactérias existem naturalmente no solo e são usadas para promover o crescimento de plantas e para induzir tolerância a fatores abióticos, como a seca, e por isso são denominadas rizobactérias promotoras de crescimento de plantas. Várias espécies de bactérias têm sido aplicadas nas colheitas como biofertilizantes, aumentando a sua produtividade. Posto isto, esta tese tem como objetivo explorar o processo através do qual são desenvolvidos biofertilizantes compostos por rizobactérias promotoras de crescimento de plantas. Para tal, plantas de milho foram inoculadas com rizobactérias isoladas de raízes de leguminosas selvagens, bem como, rizobactérias isoladas de raízes de milho, e foram crescidas em estufa, sob condições normais, em que as plantas foram irrigadas e condições de seca, para encontrar potenciais candidatos para aplicar em testes de campo. Posteriormente, nos testes de campo, a produtividade do milho foi averiguada para determinar o crescimento do milho, e alguns parâmetros bioquímicos foram analisados de modo a entender-se se a inoculação com rizobactérias melhora o desenvolvimento desta colheita. Os resultados evidenciaram que a inoculação contribuiu para o aumento do crescimento do milho e a sua tolerância à seca em estufa e os parâmetros bioquímicos analisados revelam o efeito positivo da inoculação das bactérias nos estudos em campo. Adicionalmente, foram isoladas rizobactérias de raízes de milho que fora crescido em três níveis de défice hídrico para entender se haveria alguma diferença nas suas características. As capacidades de promoção de crescimento, bem como a osmotolerância foram avaliadas. De facto, a comunidade microbiana associada com as raízes do milho foi afetada pela seca. Ainda assim, várias estirpes foram capazes de produzir sideróforos e as bactérias isoladas de condições sujeitas a seca tiveram uma menor osmotolerância. No geral, os resultados desta tese evidenciam o potencial da aplicação de rizobactérias no milho para mitigar o stress causado pela seca e melhorar o seu crescimento, aumentando consequentemente a produtividade desta colheita.