Rod Bacillus a jeho antifungálna účinnosť ako alternatívna kontrola pozberovej kontaminácie poľnohospodárskych plodín

pixabay.com

Viktória Uzsáková, Miroslava Hlebová

Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre, Fakulta biotechnológie a potravinárstva,Univerzita Svätého Cyrila a Metoda v Trnave, Fakulta prírodných vied

Pozberová kontaminácia poľnohospodárskych plodín, najmä mikroskopickými vláknitými hubami, značne vplýva na poľnohospodársky priemysel. Prítomnosťou fungálnych patogénov v/na ovocí alebo zelenine dochádza k zhoršeniu ich kvality (zmena chuti, farby, vône) a tým pádom aj k ekonomickým stratám v priemysle. Okrem toho môžu predstavovať potenciálne nebezpečenstvo v dôsledku produkcie karcinogénnych, teratogénnych a mutagénnych toxínov. Z týchto dôvodov je poľnohospodársky priemysel závislý na využití rôznych chemických fungicídov na elimináciu týchto patogénov. Väčšinu fungálnych chorôb poľnohospodárskych plodín je veľmi náročné odstrániť, nakoľko môžu pretrvávať niekoľko vegetačných období, čo vyžaduje aj pravidelnosť využitia syntetických fungicídov. Nadmerné používanie týchto pesticídov však môže viesť k rôznym problémom ovplyvňujúcim životné prostredie v dôsledku rezíduí, ktoré pretrvávajú v pôdach, alebo migrujú do vodných tokov a taktiež dlhodobé používanie vedie k rozvoju rezistencie voči patogénom. Vzhľadom na rastúci negatívny dopad doposiaľ využívaných fungicídov stúpa záujem o využitie biologických produktov založených na prospešných  kmeňoch baktérií, akými sú  najmä baktérie podporujúce rast rastlín (PGPB). PGPB je skupina nepatogénnych prospešných baktérií, ktoré môžu priamo a/alebo nepriamo podporovať rast rastlín, odolnosť voči chorobám a toleranciu voči abiotickému stresu. Obzvlášť zaujímavými PGPB, sú baktérie patriace do rodu Bacillus.

Rod Bacillus a jeho antifungálna účinnosť

Druhy rodu Bacillus zaraďujeme medzi Grampozitívne, tyčinkovité endosporulujúce baktérie, vyznačujúci sa aeróbnym alebo fakultatívne anaeróbnym metabolizmom. Rod Bacillus patrí medzi pôdne a rizosférické baktérie, kde tvorí až 95 % Grampozitívnej bakteriálnej populácie. Bacily sú považované za jednu z najviac študovaných skupín baktérií, ktoré poskytujú podporu rastu rastlín a biokontrolu viacerých chorôb. Ich rozmanitosť, všestrannosť a najmä schopnosť vytvárať endospóry, ktoré im zabezpečujú prežitie i v nepriaznivých podmienkach, a produkcia rôznych účinných sekundárnych metabolitov vytvorili obrovský potenciál týchto baktérií  pre aplikácie v poľnohospodárstve a  biotechnológii ako fytostimulanty, biopesticídy a biofertilizátory.  Doteraz bolo publikovaných niekoľko mechanizmov, ktoré druhy rodu Bacillus používajú na kontrolu fungálnych patogénov ovocia a zeleniny, vrátane konkurencie o priestor alebo živiny, účinkov antibiózy a indukovanej systémovej rezistencie rastlín. Zo spomínaných mechanizmov je antibióza zaznamenaná ako dôležitý mechanizmus, pomocou ktorého rod Bacillus produkuje aktívne metabolity inhibujúce fungálne kontaminanty. Medzi najznámejšie antifungálne zlúčeniny tohto rodu patria najmä lipopeptidy a prchavé organické zlúčeniny.

Antifungálne zlúčeniny

Lipopeptidy (LP) rodu Bacillus  vykazujú lytické aj rastovo-inhibičné aktivity proti širokému spektru húb. Patria medzi nízkomolekulové cyklické amfifilné oligopeptidy, ktoré sú syntetizované komplexmi viacerých enzýmov nazývanými non–ribozomálne peptidové syntetázy. Existujú tri rodiny LP, ktoré sa líšia svojou chemickou štruktúrou: surfaktíny, ituríny a fengycíny. Inhibičný účinok týchto zlúčenín spôsobuje zmeny v morfológii a fyziológii fungálnych buniek (skučeravenie hýf, opuch, vakuolizácia, degradácia mitochondrií). 

Obrázok 1: Účinky surfaktínu Bacillus subtilis CS30–1 na morfológiu hýf Magnaporthe grisea (Wu a kol., 2019, upravené – Uzsáková)

Prchavé organické zlúčeniny (VOC, z angl. volatile organic compounds) sú malé zlúčeniny s menej ako 20 atómami uhlíka nízkou molekulovou hmotnosťou. Sú kľúčovými biokontrolnými faktormi so špecifickými výhodami, ako je vysoká difúzna účinnosť a široký rozsah antagonizmu. Bacillus produkuje niekoľko typov aktívnych VOC , vrátane benzénov, alkoholov, esterov, ketónov, aldehydov, terpenoidov, alkénov, heterocyklických zlúčenín a zlúčenín obsahujúcich síru. VOC môžu tiež inhibovať rast mycélia, abnormálne meniť morfológiu hýf  a predchádzať tvorbe spór.

Obrázok 2: Účinok VOC Bacillus megaterium BM344-1 proti toxigénnym hubám rodu Aspergillus , Fusarium a Penicillium na veľkosť kolónií a sporuláciu (Saleh a kol., 2021)

Aplikácie a komercializácia produktov na báze Bacillus spp.

Rôzne výskumy vykonávané v laboratórnych podmienkach ukázali, že kmene rodu  Bacillus  majú významný potenciál pri využití ako biologického kontrolného agensu proti širokému spektru fungálnych patogénov pozberovej kontaminácie rôznych druhov ovocia alebo zeleniny, vďaka svojim inhibičným účinkom. Rovnako ako aj pri in vitro podmienkach sa tento bakteriálny rod preukázal aj pri in vivo testoch na rôznych typoch poľnohospodárskych produktov, kde výrazne zmiernil lézie fungálnych patogénov. Pri aplikácii antagonistických baktérií rodu Bacillus  v prípade kontroly pozberovej kontaminácie bolo vyvinutých niekoľko metód, ako je ponorenie, namáčanie a postrek. Taktiež je vhodne použiť ich plynnú fázu, vďaka produkcii VOC, kedy by nedošlo k priamemu kontaktu plodiny s baktériou alebo s konkrétnou prchavou zlúčeninou rodu Bacillus. Doposiaľ je na trhu len pár komerčne dostupných biofungicídov na báze Bacillus spp., najmä B. subtilis, ako napríklad Serenáda, ktorý je registrovaný na použitie proti mikroskopickým vláknitým hubám ako B. cinerea , Sclerotinia spp., Pseudomonas spp., Monilinia spp., Fusarium spp., Pythium spp., Phytophthora spp. a Venturia spp.. Vďaka ich antifungálnemu účinku voči rôznym fungálnym kontaminantom poľnohospodárskych plodín, akými sú napríklad ovocie alebo zelenina, sú potrebné ďalšie štúdie, najmä iných kmeňov, pre zvýšenie počtu dostupných biologických kontrolných produktov na báze Bacillus spp. a ich budúcu komercializáciu a  aplikáciu v poľnohospodárstve.

Obrázok 3: In vivoúčinok VOC Bacillus velezensis proti Penicillium italicum – mandarinky, Botrytis cinerea – hrozno, Penicillium expansum – jablká (Calvo a kol., 2020)
Obrázok 4: In vivoúčinok  Bacillus sp. w176proti Penicillium digitatum na mandarínkach (Tian a kol., 2020, upravené- Uzsáková)
Obrázok 5: In vivoúčinok Bacillus subtilis L1-21 proti Botrytis cinerea na paradajkách (Bu a kol., 2021)
BiofungicídMikrobiálny agentOvocie/zeleninaVýrobca/ distribútor
Phytosporin–M Golden Authum, AntiGnilB. subtilis 26DMrkva, paradajka, kapusta, cukrová repa, zemiakyBashinkom, Rusko
Rhapsody ®B. subtilis QST 713ParadajkaBayer, Kanada
Rhio–plusB. subtilis FZB 24Zemiaky a iná zeleninaKFZB Biotechnick, Nemecko
Serenáda- MAXB. subtilis QST713Jablko, hruška, hrozno, paradajka, zemiakyAgraQuest. Inc., USA
Serifel ® B. amyloliquefaciens MBI600Jahody, maliny, čučoriedky, hrozno, paradajky, baklažán, chilli papričky, listová zeleninaBASF Agricultural Solutions, UK
Subtilex ®B. subtilis MBI 600Jahody, maliny, čučoriedky, hrozno, paradajky, Mrkva, paradajka, kapusta, zemiakyBASF Agricultural Solutions, USA
Tabuľka 1 : Komercializované produkty biokontroly na báze Bacillus spp. využívané na kontrolu fungálnych ochorení poľnohospodárskych plodín po zbere (Lastochkina a kol., 2019).

Záver

Biologická kontrola je ekologickou stratégiou boja proti pozberovému znehodnocovaniu poľnohospodárskych plodín mikroskopickými vláknitými hubami.  Táto metóda, ktorá využíva antagonistické mikroorganizmy, alebo ich sekundárne metabolity, je považovaná za jednu z najsľubnejších alternatív, ktorá by nahradila/znížila využívanie doposiaľ používaných chemických fungicídov. V súčasnosti je mnoho štúdií, ktoré odhaľujú potenciál biologickej kontroly, práve prostredníctvom rodu Bacillus, ktorý pozitívne ovplyvňuje fyziológiu ovocia/zeleniny po zbere, nakoľko zvyšuje ich odolnosť voči rôznym pozberovým fungálnym patogénom, čo má za následok predĺženie obdobia skladovania a predĺženú „marketingovú“ životnosť, zachovanie čerstvosti a nutričnej kvality. Preto je dôležité odhaľovať ďalšie účinné aspekty tohto rodu pri jeho využití ako biologického fungicídu pozberovej kontaminácii a zároveň testovať neškodnosť týchto baktérií ako aj ich sekundárnych metabolitov, ktoré by neovplyvnili kvalitu poľnohospodárskych plodín a taktiež zdravie konzumenta.

Použitá literatúra

Blake, C., Christensen, M. N., Kovács, Á. T. (2021). Molecular aspects of plant growth promotion and protection by Bacillus subtilisMolecular Plant-Microbe Interactions34(1), 15-25. https://doi.org/10.1094/MPMI-08-20-0225-CR

Bu, S., Munir, S., He, P., Li, Y., Wu, Y., Li, X., … & He, Y. (2021). Bacillus subtilis L1-21 as a biocontrol agent for postharvest gray mold of tomato caused by Botrytis cinerea. Biological Control157, 104568. https://doi.org/10.1016/j.biocontrol.2021.104568

Calvo, H., Roudet, J., Gracia, A. P., Venturini, M. E., & Fermaud, M. (2021). Comparison of efficacy and modes of action of two high-potential biocontrol Bacillus strains and commercial biocontrol products against Botrytis cinerea in table grapes. OENO One55(3), 228-243. https://doi.org/10.20870/oeno-one.2021.55.3.4688

Carmona-Hernandez, S. , Reyes-Pérez, J.J., Chiquito-Contreras, R.G., Rincon-Enriquez, G.,   Cerdan-Cabrera, C.R.,  Hernandez-Montiel, L.G. (2019). Biocontrol of postharvest fruit fungal diseases by bacterial antagonists: A review. Agronomy, 9 (3), 121. https://doi.org/10.3390/agronomy9030121

Collemare, J., O’Connell, R.,  Lebrun, M.H. (2019). Nonproteinaceous effectors: the terra incognita of plant–fungal interactions. New Phytologist, 223 (2) , 590-596. https://doi.org/10.1111/nph.15785

Ghorbanpour, M.,  Omidvari, M., Abbaszadeh-Dahaji, P.,  Omidvar, R.,  Kariman, K. (2018). Mechanisms underlying the protective effects of beneficial fungi against plant diseases. Biological Control, 117,  147-157. https://doi.org/10.1016/j.biocontrol.2017.11.006

Khan, M., Salman, M., & Jan, S. A. (2021). Biological control of fungal phytopathogens: A comprehensive review based on Bacillus species. MOJ Biol Med6(2), 90-92. https://doi.org/10.15406/mojbm.2021.06.00137 

Kiesewalter, H. T., Lozano-Andrade, C. N., Maróti, G., Snyder, D., Cooper, V. S., Jørgensen, T. S., … & Kovács, Á. T. (2020). Complete genome sequences of 13 Bacillus subtilis soil isolates for studying secondary metabolite diversity. Microbiology resource announcements9(2), e01406-19. https://doi.org/10.1128/MRA.01406-19

Li, T.T.,  Zhang, J.D.,  Tang, J.Q.,  Liu, Z.C.,  Li, Y.Q.,  Chen, J., Zou, L.W. (2020). Combined Use of Trichoderma atroviride CCTCCSBW0199 and Brassinolide to Control Botrytis cinerea Infection in Tomato. Plant Disease,104 (5), 1298-1304. https://doi.org/10.1094/PDIS-07-19-1568-RE

Liu, L. ,  Zhao, X.-Y., Tang, Q.-B.,  Lei, C.-L.,  Huang, Q.-Y. (2019). The mechanisms of social immunity against fungal infections in eusocial insects. Toxins, 11 (5) , 244. https://doi.org/10.3390/toxins11050244

Saleh, A. E., Ul-Hassan, Z., Zeidan, R., Al-Shamary, N., Al-Yafei, T., Alnaimi, H.& Jaoua, S. (2021). Biocontrol Activity of Bacillus megaterium BM344-1 against Toxigenic Fungi. ACS omega6(16), 10984-10990. https://doi.org/10.1021/acsomega.1c00816

Tian, Z., Li, Y., Yang, Q., Liu, P., Du, Y., Chen, C., & Long, C. A. (2021). Antifungal activities and the mechanisms of biocontrol agent WE-3 against postharvest sour rot in citrus. European Journal of Plant Pathology, 1-11. https://doi.org/10.1007/s10658-021-02356-y 

About Scicell 86 Articles
SciCell magazín je odborný časopis zaoberajúci sa vedou v každom smere. Články zverejnené v časopise sa vždy opierajú iba o vedecké fakty. Hlavným redaktorom časopisu SciCell magazín je Ing. Lukáš Hleba, PhD.

Be the first to comment

Leave a Reply

Your email address will not be published.


*


Táto webová stránka používa Akismet na redukciu spamu. Získajte viac informácií o tom, ako sú vaše údaje z komentárov spracovávané.