Análise genômica de isolados endofíticos Bacillus velezensis e Stenotrophomonas geniculata promotores de crescimento em milho e sob stress salino

Abstract

Resumo: Bactérias endofíticas podem se associar a hospedeiros vegetais proporcionando benefícios a ambos, como promoção do crescimento vegetal (PGP), maior resistência a patógenos, e em relação a fatores abióticos, aumento a estresses salinos e hídricos. O excesso de sais no solo desencadeia vários distúrbios fisiológicos nas plantas, afetando o rendimento produtivo das culturas. A exploração da relação planta-microrganismo vem sendo cada vez mais importante para diversas culturas de relevância agronômica, como o milho e pode reduzir o uso de fertilizantes e agroquímicos, gerando uma agricultura mais sustentável. O objetivo principal desse trabalho foi avaliar a capacidade de três isolados de Bacillus velezensis LGMB12, LGMB319 e LGMB426 e um isolado de Stenotrophomonas geniculata LGMB417 em contribuir diretamente e/ou indiretamente para o crescimento de plantas de milho. Esses isolados foram identificados por meio de análise multilocus de inferência Bayesiana usando os genes 16S rRNA, gyrA, recA e rpoB. Treze condições de inoculação foram testadas em dois experimentos em casa de vegetação incluindo controles, inoculação de cada isolado separadamente e nos seis pares de combinações duas a duas. No primeiro experimento foi avaliada promoção de crescimento vegetal e no segundo a tolerância à salinidade, utilizando NaCl 75 e 100 mM na água de irrigação. Cada experimento foi realizado com 10 e 8 repetições em cada tratamento, respectivamente. A capacidade de antagonismo contra fungos patogênicos de milho foi avaliada com os isolados de B. velezensis por meio da técnica de cultura pareada com Fusarium graminearum, F. verticillioides, Colletotrichum graminicola e Stenocarpella sp. Os genomas completos dos quatro isolados bacterianos foram analisados visando identificar genes relacionados com a promoção do crescimento e proteção de plantas. Os resultados revelaram que a co-inoculação produziu os melhores resultados para o crescimento vegetal, destacando os efeitos sinérgicos da combinação dos isolados B. velezensis e S. geniculata como estratégia para aumentar o crescimento e melhorar a tolerância à salinidade no cultivo de milho. Nos testes de antagonismo em culturas pareadas todos os tratamentos com B. velezensis exibiram diferenças estatisticamente significativas em comparação aos tratamentos negativos e positivos. A montagem do genoma revelou que os isolados de B. velezensis exibem tamanhos de genoma em média de 4.135 kb, já S. geniculata de 4.654 kb. Seu respectivo conteúdo G + C é em média 46,48 % e 66,50 %, respectivamente. As sequências abrangentes dos genomas revelaram a presença de múltiplos agrupamentos de genes responsáveis pela síntese de metabólitos secundários e enzimas ativas em carboidratos (CAZymes). Esses clusters de B. velezensis destacam uma gama diversificada de propriedades antimicrobianas. Complementado por genes relacionados à PGP encontrados nos genomas, incluindo aqueles associados ao transporte e solubilização de fosfato, metabolismo do nitrogênio, produção de sideróforos e transporte de ferro, modulação hormonal, respostas ao estresse (seca, flutuações de temperatura, desafios osmóticos e oxidação condições ambientais) e compostos orgânicos voláteis (COV). Os resultados promissores obtidos neste trabalho indicam que desses isolados poderão ser utilizados como bioinsumos em ambientes agrícolas, após experimentos à campo. Estudos subsequentes também poderão abranger metodologias de expressão gênica.

Abstract: Endophytic bacteria can associate with plant hosts providing benefits to both, such as plant growth promotion (PGP), increased resistance to pathogens, and in terms of abiotic factors, enhanced tolerance to saline and water stresses. Excessive salts in the soil trigger various physiological disturbances in plants, affecting the productive yield of crops. The exploration of the plant-microorganism relationship has become increasingly important for several agronomically relevant crops, such as maize, and can reduce the use of fertilizers and agrochemicals, promoting more sustainable agriculture. The main objective of this study was to evaluate the capacity of three isolates of Bacillus velezensis LGMB12, LGMB319, and LGMB426, and one isolate of Stenotrophomonas geniculata LGMB417 to directly and/or indirectly contribute to the growth of maize plants. These isolates were identified through multilocus analysis of Bayesian inference using the 16S rRNA, gyrA, recA, and rpoB genes. Thirteen inoculation conditions were tested in two greenhouse experiments including controls, inoculation of each isolate separately, and in six pairs of two-by-two combinations. In the first experiment, plant growth promotion was evaluated, and in the second, salinity tolerance was assessed using NaCl at 75 and 100 mM in the irrigation water. Each experiment was conducted with 10 and 8 replicates per treatment, respectively. The antagonistic capacity against corn pathogenic fungi was evaluated with the B. velezensis isolates using the paired culture technique with Fusarium graminearum, F. verticillioides, Colletotrichum graminicola, and Stenocarpella sp. The complete genomes of the four bacterial isolates were analyzed to identify genes related to plant growth promotion and protection. The results revealed that co-inoculation produced the best results for plant growth, highlighting the synergistic effects of the combination of B. velezensis and S. geniculata isolates as a strategy to increase growth and improve salinity tolerance in maize cultivation. In the antagonism tests in paired cultures, all treatments with B. velezensis showed statistically significant differences compared to negative and positive controls. Genome assembly revealed that the B. velezensis isolates exhibit average genome sizes of 4,135 kb, while S. geniculata has 4,654 kb. Their respective G + C content averages 46.48 % and 66.50 %, respectively. Comprehensive genome sequences revealed the presence of multiple clusters of genes responsible for secondary metabolite synthesis and carbohydrate-active enzymes (CAZymes). These B. velezensis clusters highlight a diverse range of animicrobial properties. Complemented by PGP-related genes found in the genomes, including those associated with phosphate transport and solubilization, nitrogen metabolism, siderophore production and iron transport, hormonal modulation, stress responses (drought, temperature fluctuations, osmotic challenges, and oxidative environmental conditions), and volatile organic compounds (VOC). The promising results obtained in this study indicate that these isolates could be used as bioinputs in agricultural environmental, following field experiments. Subsequent studies could also encompass gene expression methodologies.