Эндофитные микроорганизмы картофеля (Solanum tuberosum L.): разнообразие, функции и биотехнологический потенциал
- Авторы: Карамова Н.С.1, Туама А.А.1,2, Сташевски З.3
-
Учреждения:
- Казанский (Приволжский) федеральный университет
- Университет Дияла
- Татарский научно-исследовательский институт сельского хозяйства — обособленное структурное подразделение Федерального исследовательского центра «Казанский научный центр Российской академии наук»
- Выпуск: Том 21, № 2 (2023)
- Страницы: 123-135
- Раздел: Генетические основы эволюции экосистем
- URL: https://journals.rcsi.science/ecolgenet/article/view/149021
- DOI: https://doi.org/10.17816/ecogen196737
- ID: 149021
Цитировать
Аннотация
Эндофитные сообщества микроорганизмов представляют удивительный внутренний мир растений. Эндофиты обнаружены во всех исследованных видах растений, хотя их видовое разнообразие и количество может сильно различаться. Картофель (Solanum tuberosum L.) — экономически важная сельскохозяйственная культура, и повышение устойчивости этого растения к инфекциям, а также поиск эффективных экологичных биопрепаратов для повышения урожайности остаются крайне актуальными. В данном обзоре мы рассматриваем биоразнообразие эндофитных микроорганизмов картофеля, их функции, возможности применения в качестве агентов биоконтроля фитопатогенных организмов. Систематизированы данные литературы о роли эндофитных микроорганизмов в предотвращении отрицательного воздействия патогенных грибов, бактерий, вирусов и насекомых на картофель.
Полный текст
Открыть статью на сайте журналаОб авторах
Назира Сунагатовна Карамова
Казанский (Приволжский) федеральный университет
Автор, ответственный за переписку.
Email: nskaramova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5802-9744
SPIN-код: 3828-8883
Scopus Author ID: 6601964566
канд. биол. наук, доцент
Россия, КазаньАммар Аднан Туама
Казанский (Приволжский) федеральный университет; Университет Дияла
Email: ammartuama02@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-8786-5546
SPIN-код: 1357-5255
Scopus Author ID: 57203790731
аспирант; преподаватель
Россия, Казань; Бакуба, ИракЗенон Сташевски
Татарский научно-исследовательский институт сельского хозяйства — обособленное структурное подразделение Федерального исследовательского центра «Казанский научный центр Российской академии наук»
Email: zenons@bk.ru
ORCID iD: 0000-0001-9844-0538
SPIN-код: 6562-2911
Scopus Author ID: 56129264200
канд. биол. наук, вед. научн. сотр.
Россия, КазаньСписок литературы
- Hallmann J., Quadt-Hallmann A., Mahaffee W.F., Kloepper J.W. Bacterial endophytes in agricultural crops // Can J Microbiol. 1997. Vol. 43, No. 10. P. 895–914. doi: 10.1139/m97131
- Xia Y., Liu J., Chen C., et al. The multifunctions and future prospects of endophytes and their metabolites in plant disease management // Microorganisms. 2022. Vol. 10, No. 5. ID 1072. doi: 10.3390/microorganisms10051072
- Hardoim P.R., van Overbeek L.S., Berg G., et al. The hidden world within plants: ecological and evolutionary considerations for defining functioning of microbial endophytes // Microbiol Mol Biol Rev. 2015. Vol. 9, No. 3. P. 293–320. doi: 10.1128/MMBR.00050-14
- Srivastava A.K., Kashyap L.P., Santoyo G., Newcombe G. Editorial: plant microbiome: interactions, mechanisms of action, and applications // Front Microbiol. 2021. Vol. 12. ID 706049. doi: 10.3389/fmicb.2021.706049
- White J.F., Kingsley K.L., Zhang Q., et al. Review: endophytic microbes and their potential applications in crop management // Pest Manag Sci. 2019. Vol. 75, No. 10. P. 2558–2565. doi: 10.1002/ps.5527
- Ferreira C.M.H., Soares H.M.V.M., Soares E.V. Promising bacterial genera for agricultural practices: an insight on plant growth-promoting properties and microbial safety aspects // Sci Total Environ. 2019. Vol. 682. P. 779–799. doi: 10.1016/j.scitotenv.2019.04.225
- Чеботарь В.К., Щербаков А.В, Щербакова Е.Н., и др. Эндофитные бактерии как перспективный биотехнологический ресурс и их разнообразие // Сельскохозяйственная биология. 2015. Т. 50, № 5. С. 648–654. doi: 10.15389/agrobiology.2015.5.648rus
- Васильева Е.Н., Ахтемова Г.А., Жуков В.А., Тихонович И.А. Эндофитные микроорганизмы в фундаментальных исследованиях и сельском хозяйстве // Экологическая генетика. 2019. Т. 17, № 1. С. 19–32. doi: 10.17816/ecogen17119-32
- Fadiji A.E., Babalola O.O. Elucidating mechanisms of endophytes used in plant protection and other bioactivities with multifunctional prospects // Front Bioeng Biotechnol. 2020. Vol. 8. ID 467. doi: 10.3389/fbioe.2020.00467
- Birch P.R.J., Bryan G., Fenton B., et al. Crops that feed the world: Potato: are the trends of increased global production sustainable // Food Security. 2012. Vol. 4. P. 477–508. doi: 10.1007/s12571-012-0220-1
- Soare E., Chiurciu I.A. Study on the dynamics of potato production and worldwide trading during the period 2012–2019 // Scientific Papers Series Management, Economic Engineering in Agriculture and Rural Development. 2021. Vol. 21. P. 527–532.
- FAOSTAT [Электронный ресурс]. Crops and livestock products [дата обращения: 07.10.2022]. Доступ по: www.fao.org/faostat/en/ #data/QCL
- Rahman M.M., Ali M.E., Khan A.A., et al. Isolation, characterization, and identification of biological control agent for potato soft rot in Bangladesh // Sci World J. 2012. Vol. 2012. ID 723293. doi: 10.1100/2012/723293
- Wu F., Wang W., Ma Y., et al. Prospect of beneficial microorganisms applied in potato cultivation for sustainable agriculture // Afr J Microbiol Res. 2013. Vol. 7, No. 20. P. 2150–2158. doi: 10.5897/AJMRx12.00
- Enebe M.C., Babalola O.O. The impact of microbes in the orchestration of plant’s resistance to biotic stress: a disease management approach // Appl Microbiol Biotechnol. 2019. Vol. 103. P. 9–25. doi: 10.1007/s00253-018-9433-3
- De Boer S.H., Copeman R.J. Endophytic bacterial flora in Solanum tuberosum and its significance in bacterial ring rot disease // Can J Plant Sci. 1974. Vol. 54, No. 1. P. 115–122. doi: 10.4141/cjps74-019
- Garbeva P., van Overbeek L.S., van Vuurde J.W.L., van Elsas J.D. Analysis of endophytic bacterial communities of potato by plating and denaturating gradient gel electrophoresis (DGGE) of 16S rDNA based PCR fragments // Microbial Ecology. 2001. Vol. 41. P. 369–383. doi: 10.1007/s002480000096
- Sessitsch A., Reiter B., Pfeifer U., Wilhelm E. Cultivation-independent population analysis of bacterial endophytes in three potato varieties based on eubacterial and Actinomycetes-specific PCR of 16S rRNA genes // FEMS Microbiol Ecol. 2002. Vol. 39, No. 1. P. 23–32. doi: 10.1111/j.1574-6941.2002.tb00903.x
- Sessitsch A., Reiter B., Berg G. Endophytic bacterial communities of field-grown potato plants and their plant-growth-promoting and antagonistic abilities // Can J Microbiol. 2004. Vol. 50, No. 4. P. 239–249. doi: 10.1139/w03-118
- Andreote F.D., da Rocha U.N., Araujo W.L., et al. Effect of bacterial inoculation, plant genotype and developmental stage on root-associated and endophytic bacterial communities in potato (Solanum tuberosum) // Antonie van Leeuwenhoek. 2010. Vol. 97. P. 389–399. doi: 10.1007/s10482-010-9421-9
- van Overbeek L., van Elsas J.D. Effects of plant genotype and growth stage on the structure of bacterial communities associated with potato (Solanum tuberosum L.) // FEMS Microbiol Ecol. 2008. Vol. 64, No. 2. P. 283–296. doi: 10.1111/j.1574-6941.2008.00469.x
- Туама А.А., Карамова Н.С., Сташевски З. Сравнительный анализ эндофитных бактерий разных сортов картофеля // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Серия: Естественные и технические науки. 2021. № 10. С. 59–63. doi: 10.37882/2223-2966.2021.10.28
- Kõiv V., Roosaare M., Vedler E., et al. Microbial population dynamics in response to Pectobacterium atrosepticum infection in potato tubers // Sci Rep. 2015. Vol. 5. ID11606. doi: 10.1038/srep11606
- Kracmarova M., Karpiskova J., Uhlik O., et al. Microbial communities in soils and endosphere of Solanum tuberosum L. and their response to long-term fertilization // Microorganisms. 2020. Vol. 8, No. 9. ID1377. doi: 10.3390/microorganisms8091377
- Götz M., Nirenberg H., Krause S., et al. Fungal endophytes in potato roots studied by traditional isolation and cultivation-independent DNA-based methods // FEMS Microbiol Ecol. 2006. Vol. 58, No. 3. P. 404–413. doi: 10.1111/j.1574-6941.2006.00169.x
- Tyurin M., Kabilov M.R., Smirnova N., et al. Can potato plants be colonized with the fungi Metarhizium and Beauveria under their natural load in agrosystems // Microorganisms. 2021. Vol. 9, No. 7. ID1373. doi: 10.3390/microorganisms9071373
- Moonjely S., Barelli L., Bidochka M.J. Insect pathogenic fungi as endophytes // Adv Genet. 2016. Vol. 94. P. 107–135. doi: 10.1016/bs.adgen.2015.12.004
- Gray E.J., Smith D.L. Intracellular and extracellular PGPR: commonalities and distinctions in the plant-bacterium signaling processes // Soil Biol Biochem. 2005. Vol. 37, No. 3. P. 395–412. doi: 10.1016/j.soilbio.2004.08.030
- Papik J., Folkmanova M., Polivkova-Majorova M., et al. The invisible life inside plants: deciphering the riddles of endophytic bacterial diversity // Biotechnol Adv. 2020. Vol. 44. ID107614. doi: 10.1016/j.biotechadv.2020.107614
- Akosah Y.A., Vologin S.G., Lutfullin M.T., et al. Fusarium oxysporum strains from wilting potato plants: Potential causal agents of dry rot disease in potato tubers // Research on Crops. 2021. Vol. 22. P. 49–53. doi: 10.31830/2348-7542.2021.012
- Lastochkina O., Pusenkova L., Garshina D., et al. The effect of endophytic bacteria Bacillus subtilis and salicylic acid on some resistance and quality traits of stored Solanum tuberosum L. tubers infected with Fusarium dry rot // Plants. 2020. Vol. 9, No. 6. ID 738. doi: 10.3390/plants9060738
- Щербаков А.В., Щербакова Е.Н., Мулина С.А., и др. Психрофильные псевдомонады-эндофиты как потенциальные агенты в биоконтроле фитопатогенных и гнилостных микроорганизмов при холодильном хранении картофеля // Сельскохозяйственная биология. 2017. Т. 52, № 1. С. 116–128. doi: 10.15389/agrobiology.2017.1.116rus
- Grossi C.E., Fantino E., Serral F., et al. Methylobacterium sp. 2A is a plant growth promoting Rhizobacteria that has the potential to improve potato crop yield under adverse conditions // Front Plant Sci. 2020. Vol. 11. ID71. doi: 10.3389/fpls.2020.00071
- Berg G., Krechel A., Ditz M., et al. Endophytic and ectophytic potato-associated bacterial communities differ in structure and antagonistic function against plant pathogenic fungi // FEMS Microbiol Ecol. 2005. Vol. 51, No. 2. P. 215–229. doi: 10.1016/j.femsec.2004.08.006
- Stevenson W.R., Loria R., Franc G.D., Weingartner D.P., editors. Compendium of potato diseases. 2nd ed. Saint Paul: American Phytopathological Society Press, 2001.
- Rado R., Andrianarisoa B., Ravelomanantsoa S., et al. Biocontrol of potato wilt by selective rhizospheric and endophytic bacteria associated with potato plant // Afr J Food Agric Nutr Dev. 2015. Vol. 15, No. 1. P. 9762–9776. doi: 10.18697/ajfand.68.15005
- Elsayed T.R., Grosch R., Smalla K. Potato plant spheres and to a lesser extent the soil type influence the proportion and diversity of bacterial isolates with in vitro antagonistic activity towards Ralstonia solanacearum // FEMS Microbiol Ecol. 2021. Vol. 97, No. 4. ID fiab038. doi: 10.1093/femsec/fiab038
- Pageni B.B., Lupwayi N.Z., Akter Z., et al. Plant growth-promoting and phytopathogen-antagonistic properties of bacterial endophytes from potato (Solanum tuberosum L.) cropping systems // Can J Plant Sci. 2014. Vol. 94, No. 5. P. 835–844. doi: 10.4141/CJPS2013-356
- Shi W., Su G., Li M., et al. Distribution of bacterial endophytes in the non-lesion tissues of potato and their response to potato common scab // Front Microbiol. 2021. Vol. 12. ID 616013. doi: 10.3389/fmicb.2021.616013
- Liu J.-M., Wang S.-S., Zheng X., et al. Antimicrobial activity against phytopathogens and inhibitory activity on solanine in potatoes of endophytic bacteria isolated from potato tubers // Front Microbiol. 2020. Vol. 11. ID570926. doi: 10.3389/fmicb.2020.570926
- Reiter B., Pfeifer U., Schwab H., Sessitsch A. Response of endophytic bacterial communities in potato plants to infection with Erwinia carotovora subsp. atroseptica // Appl Environ Microbiol. 2002. Vol. 68, No. 5. P. 2261–2268. doi: 10.1128/aem.68.5.2261-2268.2002
- Padilla-Gálvez N., Luengo-Uribe P., Mancilla S., et al. Antagonistic activity of endophytic actinobacteria from native potatoes (Solanum tuberosum subsp. tuberosum L.) against Pectobacterium carotovorum subsp. carotovorum and Pectobacterium atrosepticum // BMC Microbiology. 2021. Vol. 21. ID 335. doi: 10.1186/s12866-021-02393-x
- Podolich O., Laschevskyy V., Ovcharenko L., et al. Methylobacterium sp. resides in unculturable state in potato tissues in vitro and becomes culturable after induction by Pseudomonas fluorescens IMGB163 // J Appl Microbiol. 2009. Vol. 106, No. 3. P. 728–737. doi: 10.1111/j.1365-2672.2008.03951.x.
- Ardanov P., Ovcharenko L., Zaets I., et al. Endophytic bacteria enhancing growth and disease resistance of potato (Solanum tuberosum L.) // Biological Control. 2011. Vol. 56, No. 1. P. 43–49. doi: 10.1016/j.biocontrol.2010.09.014
- Makarova S.S., Makarov V.V., Taliansky M.E., Kalinina N.O. Virus resistance in potato: current state and prospects // Russ J Genet Appl Res. 2017. Vol. 7. P. 845–857. doi: 10.1134/S2079059717050148
- Sorokan A., Cherepanova E., Burkhanova G., et al. Endophytic Bacillus spp. as a prospective biological tool for control of viral diseases and non-vector Leptinotarsa decemlineata Say in Solanum tuberosum L. // Front Microbiol. 2020. Vol. 11. ID569457. doi: 10.3389/fmicb.2020.569457
- Sorokan A., Veselova S., Benkovskaya G., Maksimov I. Endophytic strain Bacillus subtilis 26D increases levels of phytohormones and repairs growth of potato plants after Colorado potato beetle damage // Plants. 2021. Vol. 10, No. 5. ID 923. doi: 10.3390/plants10050923
- Сорокань А.В., Искандарова З.Ф., Благова Д.К., и др. Роль сурфактина эндофитных бактерий Bacillus subtilis 26D в развитии симбиотических отношений с растениями картофеля // Экобиотех. 2019. Т. 2, № 3. С. 257–261. doi: 10.31163/2618-964X-2019-2-3-257-261
- Malfanova N., Kamilova F., Validov S., et al. Characterization of Bacillus subtilis HC8, a novel plant beneficial endophytic strain from giant hogweed // Microb Biotechnol. 2011. Vol. 4, No. 4. P. 523–532. doi: 10.1111/j.1751-7915.2011.00253.x
- Максимов И.В., Сингх Б.П., Черепанова Е.А., и др. Перспективы применения бактерий — продуцентов липопептидов для защиты растений (обзор) // Прикладная биохимия и микробиология. 2020. Т. 56, № 1. С. 19–34. doi: 10.31857/S0555109920010134
- Lin С., Tsai C.-H., Chen P.-Y., et al. Biological control of potato common scab by Bacillus amyloliquefaciens Ba01 // PLoS One. 2018. Vol. 13, No. 17. P. 1–17. doi: 10.1371/journal.pone.0196520
- Pavithra G., Bindal S., Rana M. and Srivastava S. Role of endophytic microbes against plant pathogens: a review // Asian Journal of Plant Sciences. 2020. Vol. 19. P. 54–62. doi: 10.3923/ajps.2020.54.62
- Schalk I.J., Hannauer M., Braud A. New roles for bacterial siderophores in metal transport and tolerance // Environ Microbiol. 2011. Vol. 13, No.11. P. 2844–2854. doi: 10.1111/j.1462-2920.2011.02556.x
- Ghorbel M., Brini F., Sharma A., Landi M. Role of jasmonic acid in plants: The molecular point of view // Plant Cell Reports. 2021. Vol. 40. P. 1471–1494. doi: 10.1007/s00299-021-02687-4
- Ludwig-Müller J. Plants and endophytes: equal partners in secondary metabolite production // Biotechnol Lett. 2015. Vol. 37. P. 1325–1334. doi: 10.1007/s10529-015-1814-4