Assessment of the ability of Bacillus velezensis bacteria to produce cyclic lipopeptides and characteristics of their growth-stimulating and bioremediation properties

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

In recent years, agriculture has faced the problem of fi nding promising drugs that are eff ective in combating plant diseases, alternatives to synthetic pesticides that can have a negative impact on both living organisms and the environment as a whole. To solve this problem, the possibility of using biological methods of protecting agricultural crops is being studied. In particular, special attention is paid to the search for new strains of bacteria – natural antagonists of pathogenic microorganisms that could be used instead of synthetic chemicals. The aim of this study was to assess the ability of Bacillus velezensis HR13 bacteria to produce secondary metabolites with antagonistic and growth-stimulating properties. The cyclic lipopeptides identifi ed in the bacterial culture fl uid were characterized using matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-fl ight mass spectrometry (MALDI-ToF MS). The positive eff ect of B. velezensis HR13 bacteria on the morphometric parameters of plant seedlings was shown when inoculated with the studied strain at a concentration of 106 – 107 m.c./ml. The ability of B. velezensis HR13 bacteria to use representatives of such groups of active substances of synthetic fungicides as triazoles and phenylpyrroles in various concentrations as the sole carbon source was determined.

About the authors

Daria L. Basalaeva

Saratov State University

83, Astrakhanskaya str., Saratov, 410012, Russia

Ksenia A. Rodenko

Saratov State University

ORCID iD: 0009-0007-7428-6506
83, Astrakhanskaya str., Saratov, 410012, Russia

Matvey I. Nikelshparg

МАОУ «Гимназия № 3»

Саратов

Stella S. Yevstigneyeva

Institute of Biochemistry and Physiology of Plants and Microorganisms of the Russian Academy of Sciences - Subdivision of the Federal State Budgetary Research Institution Saratov Federal Scientific Centre of the Russian Academy of Sciences (IBPPM RAS)

410049, Russia, Saratov, Entuziastov Avenue, 13

Dmitry M. Golubev

Saratov State University

ORCID iD: 0000-0001-9471-6066
83, Astrakhanskaya str., Saratov, 410012, Russia

Elena V. Glinskaya

Saratov State University

83, Astrakhanskaya str., Saratov, 410012, Russia

References

  1. Breuer U. Book review: Brock mikrobiologie. By M. T. Madigan, J. M. Martinko, J. Parker (founded by T. D. Brock) // Acta Biotechnologica. 2001. № 4 (21). P. 369–370. https://doi.org/10.1002/1521-3846(200111)21:43.3CO;2-Z
  2. Schneider T., Müller A., Miess H., Gross H. Cyclic lipopeptides as antibacterial agents – potent antibiotic activity mediated by intriguing mode of actions // International Journal of Medical Microbiology. 2014. № 304, part 1. P. 37–43. https://doi.org/10.1016/j.ijmm.2013.08.009
  3. Ruis-Garsia C., Be'jar V. Bacillus velezensis sp. Nov., a surfactant-produsing bacterium isolated from the river Velez in Malaga, Southern Spain // International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology. 2005. № 55. part 1. P. 191–195. https://doi.org/10.1099/ijs.0.63310-0
  4. Pat. US-2018020676-A1 USA. 2014. Bacillus velezensis rti301 compositions and methods of use for benefiting plant growth and treating plant disease / S. Taghavi, D. van der Lelie, J. Lee, A. Devine. Priority December 29, 2014.
  5. Лазарев С. А., Михайлова Н. А. Ферментативные свойства пробиотических штаммов бактерий рода Bacillus // Актуальная биотехнология. 2019. № 3 (30). С. 404–406.
  6. Иркитова А. Н., Каган Я. Р., Соколова Г. Г. Сравнительный анализ методов определения антагонистической активности молочнокислых бактерий // Известия Алтайского государственного универститета. 2012. № 3, часть 1 (75). С. 41–44.
  7. Chen L., Chong X. Y., Zhang Y. Y., Lv Y. Y., Hu Y. S. Genome shuffling of Bacillus velezensis for enhanced surfactin production and variation analysis // Curr. Microbiol. 2020. № 77, part 1. P. 71–78. https://doi.org/10.1007/s00284-019-01807-4
  8. Басалаева Д. Л., Никельшпарг М. И., Евстигнеева С. С., Глинская Е. В. Антагонистическая активность бактерий Bacillus velezensis // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Химия. Биология. Экология. 2022. Т. 22, вып. 1. С. 57–63. https://doi.org/10.18500/1816-9775-2022-22-1-57-63
  9. Мелентьев А. И., Курченко В. П., Кузьмина Л. Ю. Циклические липопептиды – перспективный биотехнологический продукт // Перспективы и проблемы развития биотехнологии в рамках единого экономического пространства стран Содружества : материалы междунар. науч-практ. конф. (Минск-Нарочь, 25–28 мая 2005 г.). Минск : РИВШ, 2005. С. 140–141.
  10. Смирнова Ю. В., Гамоненко О. В. Влияние Bacillus subtilis на рост горчицы сарепской // Проблемы и перспективы изучения естественных и антропогенных источников экосистем Урала и прилегающих районов : материалы IX Всерос. науч-практ. конф. (Стерлитамак, 25 мая 2019 г.). Стерлитамак : Издательство Башкирского государственного университета, 2019. С. 121–124.
  11. Яковлева О. В. Аэробные спорообразующие бактерии рода Bacillus Cohn – продуценты поверхностно-активных веществ : дис. … канд. биол. наук. Уфа, 2004. 117 с.
  12. Hathout Y., Ho Y. P., Ryzhov V., Demirev P., Fenselau C. Kurstakins: A new class of Lipopeptides isolated from Bacillus thuringiensis // Journal of Natural Products. 2000. № 63. P. 1492–1496. https://doi.org/10.1021/np000169q
  13. Li X., Zhang Y., Wei Z., Guan Z., Cai Y., Liao X. Antifungal activity of isolated Bacillus amyloliquefaciens SYBC H47 for the biocontrol of peach gummosis // PloS ONE. 2016. № 11. P. 1–22. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0162125
  14. Zhi Y., Wu Q., Xu Y. Genome and transcriptome analysis of surfactin biosynthesis in Bacillus amyloliquefaciens MT45 // Scientific Reports. 2017. № 7. P. 1–13. https://doi.org/10.1038/srep40976
  15. de Faria A. F., Stéfani D., Vaz B. G., Silva Í. S., Garcia J. S., Eberlin M. N., Grossman M. J., Alves O. L., Durrant L. R. Purification and structural characterization of fengycin homologues produced by Bacillus subtilis LSFM-05 grown on raw glycerol // Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology. 2011. № 38. P. 863–871. https://doi.org/10.1007/s10295-011-0980-1
  16. Dimkić I.,Stanković S., Nišavić M., Petković M., Ristivojević P., Fira D., Berić T. The profile and antimicrobial activity of Bacillus lipopeptide extracts of five potential biocontrol strains // Frontiers in Microbiology. 2017. № 8. P. 925–936. https://doi.org/10.3389/fmicb.2017.00925
  17. Lu K., Jin Q., Lin Y., Lu W., Li S., Zhou C., Jin J., Jiang Q., Ling L., Xiao M. Cell-free fermentation broth of Bacillus velezensis strain S3-1 improves Pak Choi nutritional quality and changes the bacterial community structure of the rhizosphere soil // Frontiers in Microbiology. 2020. № 11. P. 2043–2056. https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.02043
  18. Wang C., Zhao D., Qi G., Mao Z., Hu X., Du B., Liu K., Ding Y. Effects of Bacillus velezensis FKM10 for promoting the growth of Malus hupehensis Rehd. and inhibiting Fusarium verticillioides // Frontiers in Microbiology. 2020. № 10. P. 2889–2904. https://doi.org/10.3389/fmicb.2019.02889
  19. Hashem A., Tabassum B., Allah E. F. A. Bacillus subtilis: A plant-growth promoting rhizobacterium that also impacts biotic stress // Saudi Journal of Biological Sciences. 2019. Vol. 26. P. 1291–1297. https://doi.org/10.1016/j.sjbs.2019.05.004
  20. Kumar A., Singh S., Mukherjee A.,Rastogi R. P., Verma J. P. Salt-tolerant plant growth-promoting Bacillus pumilus strain JPVS11 to enhance plant growth attributes of rice and improve soil health under salinity stress // Microbiol. Res. 2021. Vol. 242. Art. 126616. https://doi.org/10.1016/j.micres.2020
  21. Kazerooni E. A., Maharachchikumbura S. S. N., Adhikari A., Al-Sadi A. M., Kang S. M., Kim L. R., Lee I. J. Rhizospheric Bacillus amyloliquefaciens protect Capsicum annuum cv. Geumsugangsan from multiple abiotic stress via multifarious plant growth-promoting attributes // Frontiers in Plant Science. 2021. Vol. 12. P. 669–693. https://doi.org/10.3389/fpls.2021.669693
  22. Syed Nabi R. B., Shahzad R., Tayade R., Shahid M., Hussain A., Ali M. W., Yun B. W. Evaluation potential of PGPR to protect tomato against Fusarium wilt and promote plant growth // Peer. J. 2021. Vol. 16. P. 1–20. https://doi.org/10.7717/peerj.11194
  23. Awan S. A., Ilyas N., Khan I., Raza M. A., Rehman A. U., Rizwan M., Rastogi A., Tariq R., Brestic M. Bacillus siamensis reduces cadmium accumulation and improves growth and antioxidant defense system in two wheat (Triticum aestivum L.) varieties // Plants (Basel). 2020. Vol. 9. P. 878–891. https://doi.org/10.3390/plants9070878
  24. Roy T., Bandopadhyay A., Paul C., Majumdar S., Das N. Role of plasmid in pesticide degradation and metal tolerance in two plant growth–promoting rhizobacteria Bacillus cereus (NCIM 5557) and Bacillus safensis (NCIM 5558) // Current Microbiology. 2022. Vol. 79, № 4. P. 106–112. https://doi.org/10.1007/s00284-022-02793-w
  25. Podbielska M., Kus-Liśkiewicz M., Jagusztyn B., Piechowicz B., Sadło S., Słowik-Borowiec M., Twarużek M., Szpyrka E. Influence of Bacillus subtilis and Trichoderma harzianum on penthiopyrad degradation under laboratory and field studies // Molecules. 2020. Vol. 25, № 6. P. 1421–1436. https://doi.org/10.3390/molecules25061421
  26. Zhao J., Chi Y., Xu Y., Jia D., Yao K. Co-metabolic degradation of β-cypermetrim and 3-phenoxybenzoic acid by co–culture of Bacillus licheniformis B-1 and Aspergillus oryzae M-4 // PLoS ONE. 2016. Vol. 11, № 11. P. 1–14. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0166796
  27. Chen S., Deng Y., Chang C., Lee J., Cheng Y., Cui Z., Zhou J., He F., Hu M., Zhang L. H. Pathway and kinetics of cyhalothrin biodegradation by Bacillus thuringiensis strain ZS-19 // Scientific Reports. 2015. Vol. 5. P. 84–87. https://doi.org/10.1038/srep08784
  28. Jakinala P., Lingampally N., Kyama A., Hameeda B. Enhancement of atrazine biodegradation by marine isolate Bacillus velezensis MHNK1 in presence of surfactin lipopeptide // Ecotoxicologe and Enviromental Safety. 2019. Vol. 182. P. 372–378. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2019.109372

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».