Συγκριτική φυσιολογική, μεταβολομική και μεταγραφωμική μελέτη της επίδρασης του στελέχους ριζοβακτηρίου Pseudomonas putida (SAESo11) σε σπορόφυτα τομάτας υπό καταπόνηση ξηρασίας
Authors: Παπαδοπούλου Αναστασία 
Published: November 2023

Η χρήση ωφέλιμων ριζοβακτηρίων που προωθούν της ανάπτυξη των φυτών (PGPR, Plant Growth Promoting Rhizobacteria) αποτελεί μια βιώσιμη και φιλική προς το περιβάλλον εναλλακτική πρακτική για τη βελτίωση της αποδοτικότητας της χρήσης των φυσικών πόρων και την μείωση της χρήσης αγροχημικών και η ενσωμάτωσή τους στο γεωργικό σύστημα μπορεί να αυξήσει την αντοχή των φυτών στην ξηρασία. Στόχος της παρούσας διατριβής ήταν η ανεύρεση νέων εν δυνάμει PGPR στελεχών και η μελέτη της επίδρασης του δραστικότερου στελέχους Pseudomonas putida SAESo11 σε σπορόφυτα τομάτας υπό συνθήκες καταπόνηση ξηρασίας. Το SAESo11 είχε την ικανότητα να παράγει σιδηροφόρους και ΙΑΑ, να διαλυτοποιεί τον φωσφόρο, να δημιουργεί βιομεμβράνη, να παράγει εξωπολυσακχαρίτες, να έχει κολυμβητική και ομαδική κινητικότητα και να ανέχεται σημαντικά επίπεδα αλατότητας. Παράλληλα, στο γονιδίωμά του αναγνωρίστηκε μεγάλος αριθμός γονιδίων που εμπλέκονται σε βασικές λειτουργίες για την επιβίωση και την ανάπτυξη των βακτηρίων, τον ανταγωνισμό με άλλα βακτήρια, την παραγωγή ενέργειας, την κινητικότητα, την ανταπόκριση στις περιβαλλοντικές αλλαγές και την αλληλεπίδραση με τα φυτά, και τη σύνθεση ενώσεων ικανών να προάγουν την ανάπτυξη των φυτών υπό συνθήκες καταπόνησης μέσω της βελτίωσης της διαθεσιμότητας θρεπτικών. Η ικανότητα του SAESo11 να προωθεί την ανάπτυξη σποροφύτων τομάτας στην ξηρασία διερευνήθηκε μέσω του προσδιορισμού αγροκομικών, φυσιολογικών και βιοχημικών παραμέτρων και ο μηχανισμός δράσης του διευκρινίστηκε περαιτέρω μέσω μεταβολομικής και μεταγραφωμικής ανάλυσης. Ο εμβολιασμός προκάλεσε συσσώρευση του υπεροξειδίου του υδρογόνυο (H2O2) και της μαλονδιαλδεϋδης (MDΑ), λειτουργώντας ως σηματοδοτικά μόρια και θέτοντας τα σπορόφυτα σε κατάσταση ευαισθητοποίησης για ενισχυμένες αποκρίσεις. Η αυξημένη συγκέντρωση θρεπτικών και η βελτιωμένη φωτοσύνθεση των σποροφύτων συνέβαλαν στην αποτελεσματικότερη αντιμετώπιση της ξηρασίας, διατηρώντας την ανάπτυξή και την οξειδοαναγωγική ομοιόστασή τους. Επιπλέον, ο εμβολιασμός οδήγησε σε λιγότερο διαταραγμένο μεταγράφωμα του υπέργειου τμήματος των σποροφύτων κατά την καταπόνηση, παρουσιάζοντας μικρότερο μεταβολικό επαναπρογραμματισμό και μειωμένη συσσώρευση μεταβολιτών που σχετίζονται με την καταπόνηση ξηρασίας. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον είχε ο εντοπισμός 55 διαφορικώς εκφραζόμενων γονιδίων λόγω του εμβολιασμού σε κανονικές συνθήκες, καθώς και το διαφοροποιημένο μεταβολικό προφίλ των σποροφύτων. Μεταξύ των μηχανισμών αντιμετώπισης της ξηρασίας που αναδειχθήκαν από την ανάλυση του υπέργειου τμήματος για τα εμβολιασμένα σπορόφυτα ήταν η ρύθμιση της οξειδοαναγωγικής κατάστασης, η αποτελεσματικότερη αφομοίωση του αζώτου, οι τροποποιήσεις στον μεταβολισμό των αμινοξέων, η ρύθμιση των φυτοορμονών και η επαγωγή της βιοσύνθεσης των φαινυλοπροπανοειδών. Επιπλέον, οι αλλαγές στα μονοπάτια που σχετίζονται με την ορμονική σηματοδότηση σε συνδυασμό με την ρύθμιση του μεταβολισμού του άνθρακα σε κανονικές συνθήκες, πιθανόν συνέβαλαν στην κατάσταση ευαισθητοποίησης των εμβολιασμένων σποροφύτων. Τέλος, το ασπαρτικό, το γ-αμινοβουτυρικό, το γλουταμικό, η πουτρεσκίνη, τα γονίδια της καταλάσης (CAT1), της συνθετάσης της ασπαραγίνης (AS1) και οι υδατοπορίνες (AQPs) καθώς και γονίδια που σχετίζονται με τη σύνθεση της τρεχαλόζης, της τρυπτοφάνης και της κυστεΐνης φάνηκε να αποτελούν μόρια που εμπλέκονται στον επαναπρογραμματισμό κα την SAESo11-επαγώμενη ευαισθητοποίηση για το υπέργειο τμήμα. Ακολούθως, το SAESo11 βρέθηκε να τροποποιεί μακροπρόθεσμα τις βιοχημικές διεργασίες στο υπόγειο τμήμα των φυτών, με πολλούς από τους μεταβολίτες να συσσωρεύονται διαφορετικά και υπό κανονικές συνθήκες. Συγκεκριμένα, η συσσώρευση των μεταβολιτών φρουκτόζη, γλυκόζη, σουκρόζη και ξυλόζη αλλά και το γλουταμικό οξύ και η πουτρεσκίνη, πιθανά εξυπηρετούν ως δεξαμενές οσμολυτών για την αποκατάσταση της οσμωτικής ισορροπίας στην επερχόμενη καταπόνηση, ενώ η συσσώρευση οργανικών οξέων πιθανά αντανακλά την κατάσταση ευαισθητοποίησης. Στην συνέχεια, ελέγχθηκε η έκφραση γονιδίων που σχετίζονται με την προλίνη, το γλουταμικό οξύ, την μυο-ινοσιτόλη, την θρεονίνη και τις πολυαμίνες. Τα γονίδια αργινάση (ARG1) και αφυδρογονάση της προλίνης (PDH) αύξησαν την έκφρασή τους σε κανονικές συνθήκες παρουσία του SAESo11, το ARG1 διατήρησε τα υψηλά επίπεδα έκφρασης σε συνθήκες ξηρασίας, ενώ το PDH τα μείωσε. Από την άλλη, τα γονίδια οξυγενάση της μυο-ινοσιτόλης (MIOX), συνθάση της σπερμιδίνης (SPDS) και καρβοξυλάση της αργινίνης (ADC) αύξησαν σημαντικά την έκφρασή τους κατά την καταπόνηση μόνο παρουσία του βακτηρίου, επισημαίνοντας τον ρόλο της μυο-ινοσιτόλης και των πολυαμινών στην αντιμετώπισης της ξηρασίας. Ο εντοπιζόμενος μεταβολικός επαναπρογραμματισμός του υπόγειου τμήματος, μαζί με τον αυτόν του υπέργειου, υποστηρίζει την προσαρμογή των σποροφύτων στις συνθήκες ξηρασίας, αλλά και αντανακλά την συμβιωτική σχέση του βακτηρίου με τα σπορόφυτα. Η συσσώρευση των σακχάρων, των αμινοξέων, των οργανικών οξέων και της πουτρεσκίνης συνδέεται άμεσα με την παρουσία του βακτηρίου, και μαζί με τα γονίδια ARG1, PDH, SPDS και ADC συνιστούν μια δεξαμενή πιθανών βιοδεικτών για τις διαδικασίες του αποικισμού ή/και της κατάστασης ευαισθητοποίησης. Συνολικά, υποστηρίζεται ο ρόλος του στελέχους SAESo11, στην προαγωγή της φυτικής ανάπτυξης σποροφύτων τομάτας σε συνθήκες καταπόνησης ξηρασίας. Περαιτέρω διερεύνηση των PGP ιδιοτήτων του βακτηρίου καθώς και του μηχανισμού ευαισθητοποίησης θα ενισχύσουν τις γνώσεις μας στο πεδίο ανάπτυξης των βιοδιεγερτών, που αποτελούν πολύτιμα «εργαλεία» στη σύγχρονη γεωργική πρακτική.