Proxecto H2020 BIOFERTICELLULASER: Papel das celulasas bacterianas na transición de endófitos de vida libre a raíces en cultivos de colza e no deseño de biofertilizantes eficientes
- Tipo Proxecto
- Estado Cheo
- Execución 2017 -2019
- Orzamento asignado 170.121,6 €
- Ámbito Europeo
- Fonte principal de financiamento H2020
- Páxina web do proxecto BIOFERTICELLULASER
Illamento de endófitos de B. napus con actividade PGP e capacidade de producir encimas hidrolíticos en compostos celulares vexetais: obtívose unha colección de endófitos bacterianos de colza combinando medios ricos e mínimos para illar unha ampla biodiversidade de endófitos bacterianos. As características do PGP e a produción de encimas hidrolíticas avaliáronse in vitro en todos os illados bacterianos e identificáronse todas as cepas a nivel de especie. Tamén se avaliou in planta a capacidade dos illados bacterianos mellor seleccionados in vitro para promover o crecemento das plantas.
Identificación de xenes sobreexpresados durante a infección: a bacteria Pseudomonas brassicacearum CDVBN10 identificouse como un dos mellores promotores do crecemento das plantas. Polo tanto, seleccionouse para a análise transcriptómica da expresión xénica na superficie da raíz. Seleccionouse un conxunto de xenes bacterianos como potencialmente sobreexpresados durante a infección. Ningún correspondía a unha celulase bacteriana. Por iso, adaptouse a hipótese inicial do proxecto para avaliar o papel doutros encimas bacterianos na interacción coa planta. Centrámonos nun xene sobreexpresado que codifica unha N-carbamoil putrescina amidase, implicada na biosíntese de poliaminas.
Illamento de cepas mutantes: utilizamos a edición do xenoma CRISPR/Cas para inactivar o xene que codifica a N-carbamoil putrescina amidase en P. brassicacearum CDVBN10.
Estudo dos fenotipos simbióticos de cepas derivadas de mutantes: estudamos o fenotipo simbiótico do mutante N-carbamoil putrescina amidase KO na colonización da raíz, a fixación da raíz, as deformacións do cabelo da raíz e a infección da raíz. Acabamos de detectar un fenotipo mutante distinto nas deformacións do cabelo radicular: o WT induce a deformación do cabelo radicular en B. napus, mentres que a cepa mutante mostra niveis de deformación do cabelo radicular comparables ao control non inoculado. O fenotipo recupérase coa adición de putrescina.
Análise do papel da N-carbamoil putrescina amidase na eficiencia de PGP: comparamos a capacidade de WT e cepas mutantes para promover o crecemento das plantas e inducir a resistencia do estrés das plantas a condicións de estrés biótico (fitopatoxeno Phoma lingam) e abiótico (salinidade), observando un deterioro significativo do mutante nestas capacidades. Os fenotipos son recuperados coa adición de putrescina.
Análise da eficiencia do endófito bacteriano PGP P. brassicacearum CDVBN10 na infección de colza e aumento dos rendementos dos cultivos: P. brassicacearum CDVBN10 foi probado en condicións de campo como biofertilizante para colza. O xénero Pseudomonas foi un dos taxons dominantes nas plantas inoculadas, o que indica a efectividade da bacteria para establecerse como endófita raíz no campo. Ademais, o tamaño das plantas e a produción de sementes pareceron aumentar significativamente nas plantas inoculadas, demostrando a súa eficacia como biofertilizante bacteriano para estes cultivos.
Segundo a FAO, para 2050 haberá 2.300 millóns de persoas máis no planeta, que terán que producir máis alimentos e, ao mesmo tempo, combater a pobreza e a fame existentes, utilizar de xeito máis eficiente os escasos recursos naturais e adaptarse ao cambio climático.
Os fertilizantes químicos aumentan o rendemento dos cultivos, pero teñen efectos negativos sobre a saúde humana e animal, así como sobre o medio ambiente. A produtividade das plantas pódese mellorar mediante a actividade das bacterias promotoras do crecemento das plantas (PGB), bacterias naturais capaces de modular o crecemento das plantas mediante as súas actividades metabólicas. Non obstante, a excepción das cepas rizobias aplicadas a cultivos de leguminosas, a maioría dos biofertilizantes deseñados a partir de estudos in vitro fallan cando se aplican no campo. Este fallo podería deberse a que, unha vez aplicadas ao solo, as bacterias PGP seleccionadas in vitro deben competir cunha gran variedade de microorganismos presentes no solo e adaptarse ás diferentes condicións abióticas de cada medio (rango de temperatura, períodos de auga/seca, etc.). Este feito aumenta o interese polo potencial PGP dos endófitos bacterianos (aquelas bacterias con capacidade de entrar na endorriza (interior da raíz)), xa que, unha vez dentro da planta, non precisan competir coa densa poboación de bacterias da rizosfera e están protexidas das condicións abióticas extremas. Porén, a colonización endófita, ademais das ben estudadas interaccións entre rizobios e leguminosas, non se entende ben. Botar máis luz sobre os mecanismos polos que os endófitos entran activamente nas raíces probablemente permitirá avances importantes na selección intelixente de cepas bacterianas que poden actuar como biofertilizantes eficientes en cultivos non leguminosos.
Brassica napus L. (colza) é un cultivo importante polo seu cultivo non só como recurso alimenticio (humano e animal), senón tamén para a produción de biodiésel. En Europa, as sementes de B. napus son a principal fonte de aceite para a produción de biodiésel. Non obstante, o cultivo de colza require cantidades importantes de fertilizantes químicos e, polo tanto, son moi desexables alternativas que reduzan a fertilización química para un cultivo máis sostible. Isto implica o uso de biofertilizantes, que inclúen bacterias endófitas PGP.
Polo tanto, os obxectivos deste proxecto foron:
- Illamento de endófitos PGP de B. napus
- Identificación de xenes sobreexpresados durante o proceso de infección.
- Illamento de cepas mutantes en xenes codificadores de celulase.
- Estudo de fenotipos simbióticos de cepas mutantes derivadas.
- Análise do papel das celulasas bacterianas na eficiencia de PGP.
- Análise da eficacia de bacterias seleccionadas para infectar a colza e aumentar o rendemento dos cultivos.
Un dos principais retos da humanidade nas próximas décadas será aumentar a produción de alimentos mediante a explotación de recursos escasos e protexendo o medio ambiente, converténdoo nunha das prioridades do Programa Europeo Horizonte 2020. A produtividade vexetal pódese mellorar mediante a actividade das bacterias promotoras do crecemento vexetal (PGB), aplicadas en campos agrícolas como biofertilizantes ou probióticos, constituíndo unha forma respectuosa co medio ambiente para aumentar o rendemento dos cultivos. Os biofertilizantes utilízanse na agricultura durante décadas, pero en moitos casos, as bacterias que mostraron un gran potencial como PGP en condicións de laboratorio fallan cando se aplican a solos naturais, probablemente porque son superadas polas poboacións microbianas nativas do solo ou porque non poden adaptarse ás novas condicións ambientais.
Baseándose no modelo Rhizobium-clover, sábese que as celulasas bacterianas son cruciais para a entrada das bacterias na raíz. Porén, aínda non se estudou a implicación destes encimas na entrada activa de endófitos bacterianos en cultivos non leguminosos. Este proxecto pretende investigar, mediante unha aproximación transcriptómica e o illamento de cepas de endófitas mutantes, o papel das celulasas na capacidade dos endófitos para penetrar nas raíces de plantas non leguminosas, utilizando a colza (B. napus) como planta modelo. Se os xenes que codifican as celulasas permiten a infección activa das raíces, con vantaxe sobre os mecanismos pasivos, a selección de cepas bacterianas non só en función da súa capacidade de PGP, senón tamén da súa capacidade de penetración na planta -onde teñen menos competidores e están protexidas do estrés abiótico- permitirá o deseño de biofertilizantes bacterianos máis eficientes. O obxectivo final deste proxecto é sentar as bases para o desenvolvemento de fertilizantes biolóxicos de base microbiana que permitan reducir ou mesmo eliminar o uso de fertilizantes químicos (perigosos para a saúde humana e o medio ambiente, e que contribúen ao cambio climático), mantendo ou aumentando a produción de cultivos.
Neste proxecto, demostramos que o endófito bacteriano da colza Pseudomonas brassicacearum CDVBN10 é un fertilizante bacteriano eficiente para a colza en condicións de laboratorio e de campo e, ademais, induce a resistencia das plantas a condicións de estrés biótico e abiótico.
Ademais, baseándonos na transcriptómica de bacterias na superficie da raíz, descubrimos que o xene que codifica unha N-carbamoil putrescina amidase, un encima implicado na biosíntese de poliaminas, estaba significativamente sobreexpresado, o que indica un posible papel relevante na interacción coa planta. A construción dunha cepa derivada de mutantes knockout mostrou como o xene xoga un papel relevante na capacidade da bacteria para promover o crecemento de B. napus e inducir a súa resistencia ás condicións de estrés abiótico (solución salina) e ao ataque de fungos fitopatógenos (Phoma lingam). Segundo o noso coñecemento, este é o primeiro informe sobre o efecto da deleción dun xene implicado na síntese de poliaminas nunha bacteria promotora do crecemento das plantas sobre a súa capacidade para promover o crecemento das plantas e inducir a resistencia ao estrés.
Polo tanto, o proxecto baséase no coñecemento existente sobre as interaccións entre as plantas non leguminosas e as bacterias PGP, o que é necesario para un deseño de fertilizantes bacterianos máis eficiente. Ademais, o proxecto demostra o gran potencial da cepa Pseudomonas brassicacearum CDVBN10 como biofertilizante para cultivos de colza, o que reduciría o uso de fertilizantes químicos neste cultivo, cun impacto positivo importante no medio ambiente e na saúde dos consumidores.
- UNIVERSIDAD DE SALAMANCA (USAL)
Proxectos relacionados
