The phytohormone mediated affair of Triticum durum and Azospirillum brasilense: a case study on plant-bacteria interaction

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Ferreira, Rodolfo Filipe Nunes
Data de Publicação: 2018
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/36486
Resumo: Tese de mestrado, Microbiologia Aplicada, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2018
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spelling The phytohormone mediated affair of Triticum durum and Azospirillum brasilense: a case study on plant-bacteria interactionÁcido indolacéticoAzospirillum brasilenseFitohormonasÓxido nítricoTrigoTeses de mestrado - 2018Departamento de Biologia VegetalTese de mestrado, Microbiologia Aplicada, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2018One of the greatest challenges that mankind faces is being able to feed a growing population while trying to minimize its environmental impact. To achieve this, we need to combine an increase in crop yield with a more eco-friendly approach in agriculture. A possible solution is through the utilization of plant growth promoting rhizobacteria (PGPR). Among those PGPR, Azospirillum is considered as one of the most important rhizobacterial genus. Since it was discovered, more than 40 years ago, the genus Azospirillum became the most studied plant growth-promoting bacteria, being used worldwide for improving plant growth and crop yield. It has been reported that inoculation with Azospirillum leads to changes in the plant root system, with increased root proliferation. Which in turn, leads to an increase in root density, enhancing plants capacity to access water and nutrients, as it extends the area explored by the root system, the so-called sponge effect. This work shows that nitric oxide (NO) and indole-3-acetic acid (IAA) mediate the A. brasilense-induced increase in the number of second order roots (SORs) in wheat, without affecting the first order root (FORs) structure. Those effects combine, lead to an increase in root density. Application of a NO scavenger – 2-(4- carboxyphenyl)-4,4,5,5, -tetramethylimidazoline-1-oxyl- 3-oxide (cPTIO) and an auxin scavenger – α-(p-Chlorophenoxy) isobutyric acid (PCIB), either together or separated, completely block the A. brasilense effect on the root system. While the application of a NO donor - sodium nitroprusside (SNP) and a synthetic auxin – Naphthaleneacetic acid (NAA), either together or separated, mimic the effects of inoculation. It was also showed that NO and IAA mediate the A. brasilense direct increase of the wheat biomass production, through the stimulation of the plant photosynthetic activity. Application of cPTIO completely blocked the A. brasilense effects, while application of PCIB only partially blocked the effects of the inoculation. The application of SNP and NAA, together or separated, mimic the effects of the bacterial inoculation. The IAA production by A. brasilense is very dependent on the availability of tryptophan and increases with a higher initial inoculum concentration. Whereas denitrification might be actual a positive feature for bacterial inoculants, as it produced NO which is fundamental for the A. brasilense plant growth promoting (PGP) effects. Although these phytohormones are not just produced as part of the symbiotic relationship between plants and the bacteria, as a novel of possible other roles for the pathways involved in the production of IAA and NO, have been discovered and proposed in the last few years. The PGP effects of A. brasilense seem to be broad and not limited to some varieties, as from the 2 varieties of Triticum durum tested (Marialva and Preto Amarelo), inoculation resulted in positive effects on the number of SORs and in the biomass production of both varieties, despite the differences between them. With the more ancestral variety (Preto Amarelo) being more responsive to A. brasilense inoculation. These effects are positive for plant growth and development as well as for the environment. Since increasing root density leads to increased nutrient use efficiency and therefore decreased agricultural environmental impacts. While the direct increase in the biomass production due to the inoculation of A. brasilense, leads to an increased crop yield.Um dos maiores desafios que a humanidade enfrenta é conseguir alimentar uma população crescente e simultaneamente minimizar o seu impacto no ambiente. Para atingir tais objetivos é necessário combinar o aumento da produtividade agrícola com sistemas mais “amigos do ambiente”. Uma possível solução é através da utilização de rizobactérias promotoras do crescimento vegetal. Entre essas rizobactérias, o género Azospirillum é considerado um dos mais importantes. Desde a sua descoberta, há mais de 40 anos no Brasil, este género tornou-se no género de bactérias promotoras de crescimento vegetal mais estudado, sendo usado para aumentar o crescimento das plantas e a sua produtividade, um pouco por todo o mundo. Apesar da sua capacidade para fixar azoto atmosférico, está descrito na bibliografia que os principais efeitos resultantes da inoculação de plantas com Azospirillum ocorrem ao nível do sistema radicular, com um aumento na proliferação de raízes. Que por sua vez, aumenta a densidade do sistema radicular que consequentemente a capacidade das plantas de absorverem água e nutrientes, visto que expande o volume de solo explorado pelo sistema radicular. Este efeito é apelidado de “efeito esponja”, sendo postulado que se deve à produção de substâncias promotoras de crescimento (fito-hormonas) por parte das bactérias. Mas para se poder utilizar culturas de A. brasilense como inoculantes para a agricultura, numa escala muito superior à usada atualmente, é necessário um conhecimento mais profundo sobre os efeitos da inoculação das plantas com A. brasilense e sobre os mecanismos responsáveis por esses efeitos,. Será também desejável que os estudos que venham a ser realizados, utilizem plantas importantes a nível económico e não plantas modelo. De modo a tentar responder a estas perguntas foi delineado um conjunto de experiências para descrever e quantificar o efeito da inoculação de sementes de trigo (Triticum durum) com Azospirillum na germinação. Foram testados os efeitos da inoculação em trigo de duas estirpes de A. brasilense, Sp245 e ARG2, e foi avaliado o papel do óxido nítrico e do ácido indol-acético, duas fitohormonas produzidas pelas estirpes em estudo, nos efeitos observados. Para bloquear os efeitos do óxido nítrico e das auxinas produzidas por A. brasilense, foram usados "scavengers", 2-(4- carboxifenil) -4,4,5,5, -tetrametilimidazolina-1-oxi- 3-oxido (cPTIO) no caso do óxido nítrico e Ácido α- (p-clorofenoxil) isobutírico (PCIB), para as auxinas. Enquanto para mimetizar os efeitos do óxido nítrico e auxinas produzidas aquando da inoculação, foram usados um dador de óxido nítrico – nitroprussiato de sódio (SNP) e uma auxina sintética – Ácido 1-naftalenoacético (NAA). Os resultados deste trabalho mostraram que o óxido nítrico e as auxinas produzidas pelas estirpes de A. brasilense Sp245 e ARG2, atuam como moléculas mediadoras do aumento do número de raízes de segunda ordem, resultante da inoculação com A. brasilense, mas sem influenciar o número ou o comprimento das raízes de primeira ordem. O que resulta num aumento da densidade radicular. A aplicação de cPTIO e PCIB, tanto conjuntamente como separadamente, levou a um bloqueio de todos os efeitos da inoculação com A. brasilense no sistema radicular. Enquanto que a aplicação de SNP e de NAA, tanto conjuntamente como separadamente, mimetizou os efeitos da inoculação. Para além dos efeitos na estrutura radicular, foi também demonstrado que a inoculação com A. brasilense tem um efeito direto na produção de biomassa do trigo, aumentando-a. Este aumento foi provavelmente o resultado de mudanças no balanço fito-hormonal das plantas, que levaram a uma estimulação da atividade fotossintética das plantas. A aplicação de cPTIO bloqueou todos os efeitos da inoculação com A. brasilense no sistema radicular enquanto que a aplicação de PCIB apenas bloqueou parte dos efeitos da inoculação. Quer a aplicação de SNP quer a de NAA, tanto conjuntamente como separadamente, mimetizou os efeitos da inoculação no aumento de biomassa das plantas de trigo. Através da aplicação da metodologia de Salkowski para a quantificação da produção de ácido indol-acético, foi possível determinar que essa produção por parte de A. brasilense é muito dependente da presença de triptofano e do número de células bacterianas. Apesar disto, as plantas resultantes da inoculação de sementes com diferentes concentrações de inóculo (de 106 a 109 CFU.semente-1) não tiveram diferenças entre si no número de raízes de segunda ordem. Em termos da acumulação de biomassa só houve diferenças mínimas, com todas as concentrações testadas a terem efeitos positivos no trigo. Várias hipóteses foram propostas e discutidas para explicar esta ausência de influência das diferentes concentrações de inóculo, mas infelizmente não foi possível chegar a uma conclusão. Os resultados experimentais fortalecem a teoria que a desnitrificação pode até ser uma característica positiva em inóculos bacterianos, que apesar de reduzir a quantidade de azoto disponível para a planta devido à redução de NO3-, vai produzir óxido nítrico como um dos produtos resultantes desse processo redutor. E como é demonstrado neste trabalho, o óxido nítrico é essencial para os efeitos promotores do crescimento vegetal resultantes da inoculação com A. brasilense. Ambas as fitohormonas, óxido nítrico e ácido indolacético, são fundamentais para os efeitos de A. brasilense no trigo, mas é muito provável que não sejam produzidas pelas bactérias simplesmente com o objetivo de promover o crescimento da planta, mesmo que “em troca” a planta forneça à bactéria exsudados radiculares, que servem como fonte de carbono e nutrientes. Neste trabalho é discutido que as vias metabólicas que levam à produção de óxido nítrico e ácido indol-acético são ativadas como respostas a diversos stresses, quer ambientais, quer nutricionais, quer energéticos, e as fito-hormonas produzidas como resultado, são exportadas das células bacterianas para a planta. Consequentemente levam à ativação de um conjunto de processos fisiológicos que resultam na estimulação do crescimento da planta e da exsudação de nutrientes. Provavelmente com o passar do tempo esta relação entre A. brasilense e as plantas foi evoluindo em direção a uma simbiose mutualista, que apesar de não ser essencial, ambas beneficiam, e muito, da sua ocorrência. Um dos maiores problemas relacionados com o uso de biofertilizantes na agricultura é a especificidade da resposta de diferentes espécies ou variedades de plantas. Neste trabalhado foi demonstrado que das duas variedades de Triticum durum testadas, Marialva e Preto Amarelo, apesar de muito diferentes, ambas reagem positivamente à inoculação com A. brasilense. Sendo que o aumento do número de raízes de segunda ordem é semelhante entre as duas variedades, enquanto que em termos da produção de biomassa a variedade mais ancestral (Preto Amarelo) teve um maior aumento, principalmente na biomassa radicular. Os efeitos da inoculação com A. brasilense são positivos tanto para o crescimento da planta como para o ambiente. Visto que aumentar a densidade do sistema radicular é uma estratégia para aumentar a eficiência do uso de água e nutrientes, dado que existe uma maior absorção por parte da planta. Por conseguinte, uma menor quantidade de água e fertilizantes será necessária, o que leva a uma diminuição dos impactos ambientais da agricultura. Enquanto que o aumento de biomassa que advém dos efeitos estimuladores resultantes da inoculação com A. brasilense na fotossíntese, leva a um aumento da produtividade das culturas agrícolas.Cruz, Cristina, 1964-Tenreiro, Rogério Paulo de Andrade, 1955-Repositório da Universidade de LisboaFerreira, Rodolfo Filipe Nunes2019-01-17T14:55:55Z201820182018-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/36486TID:202190803enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T16:33:14Zoai:repositorio.ul.pt:10451/36486Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:50:48.207903Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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