Cistanche'den Bitki Türetilmiş Haloalkalifil: Tuzlu-Alkali Toprak ve Mahsul Geliştirme İçin A8 Suşuna Genomik-Metabolomik Bakış

Tartışma

 

Cistanche'de yetiştirilebilir endofitler üzerine mevcut araştırma durumu

Cistanche ile ilişkili ekilebilir endofitlere ilişkin araştırmalar sınırlı kalmaktadır. Lin ve diğerleri. [10] Cistanche köklerinden endofitik bir Streptomyces (AC‑2 suşu) ve bir Penicillium chrysogenum izole etti; ikincisi SH‑SY5Y hücrelerinde dikkate değer nöroprotektif aktivite gösterdi. Yu ve diğerleri. [11], Cistanche'de ekilebilir endofitik mantarların bolluğu ve çeşitliliğinin mevsime, kökene ve şifalı bitki kısmına göre değiştiğini bildirmiştir. Petrosyan ve ark. [12] holoparazit Cistanche phelypaea'dan elde edilen tohum endofitlerinin bitki büyümesini destekleyebildiğini ve tuz toleransı özellikleri kazandırabildiğini gösterdi. Ancak bildiğimiz kadarıyla Cistanche'den alkalifil ve haloalkalifil toleranslı endofitik bakteriler bu çalışmadan önce bildirilmemiştir.

 

Cistanche Deserticola

 

 

 

Haloalkalifillerin tanımlanması ve A8 suşunun konumlandırılması

Literatürde "haloalkalifiller" tipik olarak %3'ten büyük veya eşit tuz konsantrasyonlarında ve 9,0'dan büyük veya eşit pH'ta optimal büyümeye sahip mikroplar olarak tanımlanır; çoğu suş pH 7-11'i ve %0-15 tuzluluğu tolere eder [13]. A8 suşu %0-5 tuz ve pH 9'da optimum şekilde büyür ve bu da onun haloalkalifilik/alkalitolerant bir bakteri olarak ön tanımını destekler. Dikkat çekici bir şekilde A8, haloalkalifiller arasında bile nadir görülen pH 13'te büyümeyi sürdürdü. Bu tür mikroplar genellikle tuzlu veya alkali ortamlardan (örneğin, tuzlu göl çökeltileri, tuzlalar, Ölü Deniz, mangrov çökeltileri ve rizosfer toprakları) izole edilirken [14], çalışmamız A8'in bir bitki konakçısından (Cistanche) izole edilen ilk alkalifil benzeri, tuza alkaliye toleranslı Bacillaceae (psödo‑alkalifilik Bacillus) türü olduğunu rapor etmektedir.

A8'de tuz-alkali toleransının mekanik temeli

Tuz-alkali toleransı mekanik olarak karmaşıktır. Toleranslı olmayan bakterilerle karşılaştırıldığında, toleranslı suşlar, hücre içi ozmotik basıncı düzenlemek için Na+/H+ antiporterlerini ve ilgili iyon taşıma sistemlerini daha güçlü bir şekilde aktive ederek salin-alkali koşullarda büyümeyi mümkün kılar [15]. A8'in genom analizi, tuz-alkali toleransında rol oynayan 10 gen sınıfını tanımladı; bunlara aşağıdakiler dahildir:

Uyumlu çözünen maddeler için taşıyıcılar (örneğin, glisin betain taşıyıcıları) ve trehaloz sentez genleri;

Çoklu antiporterler (Na+/H+ antiporterleri, bazik amino asit antiporterleri);

 

Potasyum taşıyıcıları ve F0F1 ATP sentazı.

 

Önceki çalışmalar, glisin betain ve trehalozun halofillerde ozmotik ayarlama için uyumlu çözünenler olarak yaygın olduğunu göstermektedir [15,16]. Potasyum taşıma ve antiport sistemleri, elektrofilik stresi azaltmak için sitoplazmayı asitleştirebilir, böylece çevresel dayanıklılığı artırabilir [4]. Verilerimiz, A8'in daha yüksek hücre içi prolin, glisin, betain ve trehaloz düzeylerini sentezlemek ve Na+, K+ ve H+ iyonlarını taşımak, ozmotik dengeyi korumak ve salin-alkalin stresi altında normal hücresel fonksiyonları desteklemek için çoklu genetik modülleri koordine ettiğini desteklemektedir.

Biyofilmler, ikincil metabolizma ve osmoadaptasyon

Transmembran taşınması membran özelliklerine bağlı olduğundan biyofilm oluşumu tuz-alkali toleransıyla yakından bağlantılıdır. Wang ve diğerleri. [17] suşların tuz hasarını hafifletmek için salin-alkali stresi altında daha fazla biyofilm ürettiğini gösterdi. Transkriptomik ve metabolik kanıtlar, seskiterpenler ve triterpenlerin biyosentezinin bitkilerde stres direnci ile ilişkili olduğunu göstermektedir [18,19]; benzer yollar bakteriyel stres programlarıyla kesişebilir. Prolin, bakteriler tarafından yüksek tuza yanıt olarak sentezlenen önemli bir uyumlu çözünen maddedir [20,21]. Salin-alkalin stresi altında A8'deki yukarı regüle edilmiş ve benzersiz metabolitlerin yol zenginleştirme analizinde şunları belirledik:

Biyofilm sentezini ve dolayısıyla tuz-alkali toleransını artırabilecek pürin ve steroid yolları;

Seskiterpen/triterpen biyosentezi ile strese dayanıklılık arasındaki güçlü bağlantılar;

Tuz stresini azaltma potansiyeli olan lizin metabolizması [22];

Enerji kapasitesini artıran, salin-alkali iyonlarının taşınmasını hızlandıran pantotenat ve CoA biyosentez yolları.

Toplu olarak, A8'in aşırı pH ve tuzluluk altında gelişmesi için çok faktörlü bir strateji (membran/biyofilm modülasyonu, uyumlu çözünen madde birikimi ve iyon homeostazisi) kullanmasını öneriyoruz.

 

Wecistanche'nin cistanche'si yuto, sincan'daki üssü yetiştiriyor

Wecistanche Destek Hizmeti-İşbirliği hakkında daha fazla bilgi için
E-posta:wallence.suen@wecistanche.com

 

 

Bilimsel bir ürün olarak Cistanche için araştırma motivasyonu

 

Mikrobiyom destekli mahsul gelişimi: Kurak ve çoğunlukla tuzlu habitatlara adapte olmuş holoparazit bir şifalı bitki olan Cistanche, olağanüstü haloalkalifilik özelliklere sahip benzersiz endofitlere ev sahipliği yapabilir. Bu tür suşların izole edilmesi ve işlevsel olarak karakterize edilmesi (örneğin, A8), marjinal (tuzlu-alkali) topraklarda Cistanche ekimini iyileştirmek amacıyla mikrobiyom destekli yetiştirme ve aşılayıcı geliştirme için yollar açar.

Toprak rehabilitasyonu ve biyoaşılayıcılar: A8'in tolerans profili, tuzlu-alkali toprağın iyileştirilmesi için bir şasi türü olma potansiyelini ortaya koymaktadır. Saha denemeleri, iyileşme etkilerini ölçmek için fiziko-kimyasal endeksleri izleyerek tuzlu-alkali topraklara doğrudan aşılamayı test edebilir.

Bitki performansının arttırılması: A8'in rizosfer aşılaması, yaprak spreyi veya kök ilaçlama yoluyla Cistanche konukçularına veya bakım ürünlerine uygulanması, tuz-alkali direncini, hayatta kalmayı ve biyokütleyi artırabilir, standart ekimi ve hammadde kalitesini doğrudan destekleyebilir.

Mekanistik doğrulama hattı: Düzenleyici ve endüstriyel benimseme için sağlam eylem modu dosyaları oluşturmak amacıyla genomik (antiporter/uyumlu çözünmüş gen kümeleri), metabolomik (UPLC-MS/MS çözünmüş madde ve membran lipit imzaları) ve fenotiplemeyi (biyofilm ölçümleri, pH 6-13 ve %0-17 tuzlulukta büyüme eğrileri) entegre edin.

 

Gelecekteki çalışmalar

Gelecekteki çalışmalar A8'i uygulama senaryolarında değerlendirecektir: tuzlu-alkali alanlarda uzunlamasına toprak özelliği ölçümleriyle doğrudan toprak aşılama; ve bitki tuzu-alkali toleransı analizleri ile bitki düzeyinde müdahaleler (rizosfer aşılama, yaprağa uygulama, kök ıslatma). Bu veriler, A8'in bitki geliştirme potansiyelinin tam olarak değerlendirilmesini sağlayacak ve Cistanche ekimi ve daha geniş tuzlu tarım için mikrobiyal gübrelerin geliştirilmesini destekleyecektir.

 

Çözüm

 

Cistanche'den ekilebilir 50 endofitik bakteri suşu izole ettik. Bunların arasında A8 suşu, bildiğimiz kadarıyla, bir bitki konakçısından izole edilen ilk alkalifil benzeri, tuza alkaliye toleranslı Bacillaceae (psödo-alkalifilik Bacillus) suşudur. A8, %0-17 tuzlulukta (optimal %0-5) ve pH 6,0-13,0'da (optimal pH 9) büyür ve kültür pH'ını aktif olarak büyüme optimumuna doğru kaydırır. Genomik ve UPLC-MS/MS metabolomik analizleri, A8'in yüksek seviyelerde uyumlu çözünen maddeleri (örneğin, betain, prolin, trehaloz) sentezleyerek ve Na+, K+ ve H+'yı çoklu antiporterler ve taşıma sistemleri yoluyla taşıyarak ozmotik dengeyi ve dolayısıyla normal hücresel fonksiyonu koruduğunu gösterecek şekilde birleşir. Bu bilgiler, tuzlu-alkali toprağın iyileştirilmesinde, mikrobiyal gübre geliştirilmesinde ve bitki tuzu-alkali toleransının arttırılmasında A8'den yararlanmak için mekanik bir temel sağlayarak Cistanche mahsul araştırmaları ve standart ekim için stratejik bir kaynak sunar.

 

Referanslar

[10] Lin Z, Wen J, Zhu T, ve diğerleri. Cistanche Deserticola ile ilişkili endofitik bir mantardan elde edilen Chrysogenamide A ve bunun SH‑SY5Y hücreleri üzerindeki nöroprotektif etkisi. Antibiyotik Dergisi. 2008;61(2):81–85.
[11] Yu J, Zhou F, Chen J, ve diğerleri. Cistanche'deki endofitik mantarların çeşitliliği. Çin Çin Materia Medica Dergisi. 2011;36(05):542–546. (Çince)
[12] Petrosyan K, Thijs S, Piwowarczyk R, ve diğerleri. Holoparazit Cistanche phelypaea'nın (Orobanchaceae) tohum endofitik bakterilerinin çeşitliliği ve potansiyel bitki büyümesini teşvik etme kapasitesi. Bilimsel Raporlar. 2023;13(1):11835.
[13] Zhang S, Li Z, Yan Y, ve diğerleri. Bacillus urumqiensis sp. Kasım, bir tuz gölünden izole edilen orta derecede haloalkalifilik bir bakteri. Uluslararası Sistematik ve Evrimsel Mikrobiyoloji Dergisi. 2016;66(6):2305–2312.
[14] Joshi A, Thite S, Karodi P, ve diğerleri. Alkalihalobacterium elongatum gen. kasım. sp. Kasım: Lonar Gölü'nden izole edilen antibiyotik üreten bir bakteri ve Alkalihalobacillus cinsinin yedi yeni cins halinde yeniden sınıflandırılması. Mikrobiyolojide Sınırlar. 2021;12:722369.
[15] Qin Y, Druzhinina IS, Pan X, ve diğerleri. Tuzlu tarım için mikrobiyal aracılı bitki tuzu toleransı ve mikrobiyom bazlı çözümler. Biyoteknolojideki Gelişmeler. 2016;34(7):1245–1259.
[16] Liu W, Wang Q, Hou J, ve diğerleri. Halotolerant ve alkalitolerant bitki büyümesini teşvik eden rhizobakterium Klebsiella sp.'nin tam genom analizi. D5A. Bilimsel Raporlar. 2016;6:26710.
[17] Wang C, Pei J, Li H, ve diğerleri. Paenibacillus polymyxa SC2'de tuz toleransının mekanizmaları ve bunun tuzlu koşullar altında mısır fideleri üzerindeki büyümeyi teşvik edici etkileri. Mikrobiyolojik Araştırma. 2024;282:127639.
[18] Zhang C, Zhang C, Xu X, Liao M, ve diğerleri. Transkriptom analizi, yabani muzda (Musa itinerans) normal yüksek sıcaklıkta polen çimlenmesinin geri kazanımının altında yatan düzenleyici mekanizmalar hakkında bilgi sağlar. Bitki Biliminde Sınırlar. 2023;14:1255418.
[19] Kong L, Chen P, Chang C. Panax ginseng CA Meyer'de absisik aside yanıt olarak kuraklık direnci ve ginsenosid biyosentezi. Uluslararası Moleküler Bilimler Dergisi. 2023;24(11):9194.
[20] Xing Q, Zhang S, Tao X ve diğerleri. Poliekstremofil Natranaerobius thermophilus, uzun vadeli tuzluluk stresine karşı ikili bir strateji benimser ve aynı anda uyumlu çözünen maddeleri ve K+. Uygulamalı ve Çevresel Mikrobiyoloji. 2024;90(5):e0014524 biriktirir.
[21] Sunita K, Mishra I, Mishra J, ve diğerleri. Bitkilerde tuzluluk stresini iyileştirmek için halotolerant bitki büyümesini teşvik eden rizobakterilerden elde edilen ikincil metabolitler. Mikrobiyolojide Sınırlar. 2020;11:567768.
[22] Arruda P, Barreto P. Sakaropin yolu yoluyla lizin katabolizması: Abiyotik ve biyotik strese bitki tepkilerinde rol oynayan enzimler ve ara maddeler. Bitki Biliminde Sınırlar. 2020;11:587.