Поиск перспективных эндофитных липопептид-синтезирующих бактерий Bacillus spp. для защиты растений пшеницы от обыкновенной злаковой тли (Schizaphis graminum)

Полезные эндофитные бактерии могут подавлять развитие вредителей за счет прямого антагонизма, с помощью метаболитов или опосредованно индуцировать системную устойчивость через регуляцию гормональных сигнальных путей. Липопептиды – бактериальные метаболиты, проявляющие прямую антагонистическую активность ко многим организмам, в том числе к насекомым. Также липопептиды способны запускать системную индуцированную устойчивость у растений против вредных организмов. В настоящее время механизм действия бактериальных метаболитов липопептидов на защитную систему растений только начинают исследовать. В данной работе изучено десять штаммов и изолятов бактерий, выделенных из внутренних тканей культурной и дикой пшеницы и картофеля. Секвенирование гена 16S рРНК показало принадлежность всех изолятов к роду Bacillus и двум видам – B. subtilis и B. velezensis. У всех бактериальных изолятов методом ПЦР были идентифицированы гены липопептид синтаз – сурфактин синтазы (Bs_srf ), итурин синтаз (Bs_ituA, Bs_ituB) и фенгицин синтазы (Bs_fenD). Все штаммы обладали афицидной активностью в отношении обыкновенной злаковой тли (Schizaphis graminum Rond.) за счет синтеза липопептидов, что было доказано с помощью липопептид-богатых фракций (ЛБФ), выделенных из штаммов. Эндофитные липопептид-синтезирующие штаммы Bacil lus spp. опосредованно влияли на жизнеспособность тли, выносливость растений по отношению к тле и запускали системную индуцированную устойчивость у растений, что проявлялось в регуляции окислительного метаболизма и накоплении транскриптов генов Pr1, Pr2, Pr3, Pr6 и Pr9, за счет синтеза липопептидов, что подтверждено с помощью ЛБФ, выделенных из трех штаммов – B. subtilis 26D, B. subtilis 11VM и B. thuringiensis B-6066. В нашей работе впервые показано афицидное действие фенгицина и способность штаммов и изолятов B. subtilis Ttl2, Bacillus sp. Stl7 и B. thuringiensis B-6066, синтезирующих фенгицин, регулировать компоненты про-/антиоксидантной системы растений, зараженных тлей. Кроме того, впервые продемонстрирована элиситорная роль фенгицина в запуске системной устойчивости растений пшеницы к S. graminum. Обнаружены новые перспективные штаммы и изоляты эндофитных бактерий рода Bacillus, которые могут стать основой будущих биопрепаратов против тлей. Одним из критериев поиска новых бактерий, активных против насекомых, питающихся флоэмным соком, может быть наличие в бактериальном геноме генов липопептид синтаз. 

1. Alekseev V.Y., Veselova S.V., Rumyantsev S.D., Burkhanova G.F., Che repanova E.A., Maksimov I.V. Bacteria of the genus Bacillus and their lipopeptides enhance endurance of wheat plants to the greenbug aphid Schizaphis graminum Rond. AIP Conf. Proc. 2021; 2388(1):030001. DOI 10.1063/5.0071841

2. Andrić S., Meyer T., Rigolet A., Prigent-Combaret C., Höfte M., Balleux G., Steels S., Hoff G., De Mot R., McCann A., De Pauw E., Arias A.A., Ongena M. Lipopeptide interplay mediates molecular interactions between soil Bacilli and Pseudomonads. Microbiol. Spectr. 2021;9(3):e0203821. DOI 10.1128/spectrum.02038-21

3. Bindschedler L.V., Minibayeva F., Gardner S.L., Gerrish C., Davies D.R., Bolwell G.P. Early signaling events in the apoplastic oxidative burst in suspension cultured French bean cells involve cAMP and Ca2+. New Phytol. 2001;151(1):185-194. DOI 10.1046/j.1469-8137.2001.00170.x

4. Denoirjean T., Ameline A., Couty A., Dubois F., Coutte F., Doury G. Effects of surfactins, Bacillus lipopeptides, on the behavior of an aphid and host selection by its parasitoid. Pest Manag. Sci. 2022; 78(3):929-937. DOI 10.1002/ps.6702

5. Eid A.M., Fouda A., Abdel-Rahman M.A., Salem S.S., Elsa0935

6. Farzand A., Moosa A., Zubair M., Khan A.R., Massawe V.C.ied A., Oelmüller R., Hijri M., Bhowmik A., Elkelish A., Hassan S.E.-D. Harnessing bacterial endophytes for promotion of plant growth and biotechnological applications: an overview. Plants. 2021;10(5):935. DOI 10.3390/plants1005,

7. Tahir H.A.S., Sheikh S.M.M., Ayaz M., Gao X. Suppression of Sclerotinia sclerotiorum by the induction of systemic resistance and regulation of antioxidant pathways in tomato using fengycin produced by Bacillus amyloliquefaciens FZB42. Biomolecules. 2019;9(10): 613. DOI 10.3390/biom9100613

8. Fu M., Xu M., Zhou T., Wang D., Tian S., Han L., Dong H., Zhang C. Transgenic expression of a functional fragment of harpin protein Hpa1 in wheat induces the phloem-based defence against English grain aphid. J. Exp. Bot. 2014;65(6):1439-1453. DOI 10.1093/jxb/ert488

9. Jiang M., Pang X., Liu H., Lin F., Lu F., Bie X., Lu Z., Lu Y. Iturin A induces resistance and improves the quality and safety of harvested cherry tomato. Molecules. 2021;26(22):6905. DOI 10.3390/molecules26226905

10. Koch K.G., Chapman K., Louis J., Heng-Moss T., Sarath G. Plant tolerance: a unique approach to control hemipteran pests. Front. Plant Sci. 2016;7:1363. DOI 10.3389/fpls.2016.01363

11. Ling S., Zhao Y., Sun S., Zheng D., Sun X., Zeng R., Chen D., Song Y. Enhanced anti-herbivore defense of tomato plants against Spodoptera litura by their rhizosphere bacteria. BMC Plant Biol. 2022; 22(1):254. DOI 10.1186/s12870-022-03644-3

12. Lu K., Zhang L., Qin L., Chen X., Wang X., Zhang M., Dong H. Importin β1 mediates nuclear entry of EIN2C to confer the phloem-based defense against aphids. Int. J. Mol. Sci. 2023;24(10):8545. DOI 10.3390/ijms24108545

13. Maksimov I.V., Sorokan’ A.V., Cherepanova E.A., Yarullina L.G. Effects of salicylic and jasmonic acids on the components of pro/antioxidant system in potato plants infected with late blight. Russ. J. Plant Physiol. 2011;58(2):299-306. DOI 10.1134/S1021443711010109

14. Maksimov I.V., Blagova D.K., Veselova S.V., Sorokan A.V., Burkhanova G.F., Cherepanova E.A., Sarvarova E.R., Rumyantsev S.D., Alekseev V.Yu., Khayrullin R.M. Recombinant Bacillus subtilis 26DCryChS line with gene Btcry1Ia encoding Cry1Ia toxin from Bacillus thuringiensis promotes integrated wheat defense against pathogen Stagonospora nodorum Berk. and greenbug Schizaphis graminum Rond. Biol. Control. 2020;144:104242. DOI 10.1016/j.biocontrol.2020.104242

15. Miljaković D., Marinković J., Balešević-Tubić S. The significance of Bacillus spp. in disease suppression and growth promotion of field and vegetable crops. Microorganisms. 2020;8(7):1037. DOI 10.3390/microorganisms8071037

16. Morkunas I., Mai V.C., Gabrys B. Phytohormonal signaling in plant responses to aphid feeding. Acta Physiol. Plant. 2011;33(6):20572073. DOI 10.1007/s11738-011-0751-7

17. Oukala N., Aissat K., Pastor V. Bacterial endophytes: the hidden actor in plant immune responses against biotic stress. Plants. 2021; 10(5):1012. DOI 10.3390/plants10051012

18. Pangesti N., Reichelt M., van de Mortel J.E., Kapsomenou E., Gershenzon J., van Loon J.J., Dicke M., Pineda A. Jasmonic acid and ethylene signaling pathways regulate glucosinolate levels in plants during rhizobacteria-induced systemic resistance against a leaf-chewing herbivore. J. Chem. Ecol. 2016;42(12):1212-1225. DOI 10.1007/s10886-016-0787-7

19. Pieterse C.M., Zamioudis C., Berendsen R.L., Weller D.M., Van Wees S.C., Bakker P.A. Induced systemic resistance by beneficial microbes. Annu. Rev. Phytopathol. 2014;52:347-375. DOI 10.1146/annurev-phyto-082712-102340

20. Radchenko E.E., Abdullaev R.A., Anisimova I.N. Genetic resources of cereal crops for aphid resistance. Plants. 2022;11(11):1490. DOI 10.3390/plants11111490

21. Rani S., Kumar P., Dahiya P., Maheshwari R., Dang A.S., Suneja P. Endophytism: a multidimensional approach to plant–prokaryotic microbe interaction. Front. Microbiol. 2022;13:861235. DOI 10.3389/fmicb.2022.861235

22. Rashid M.H., Chung Y.R. Induction of systemic resistance against insect herbivores in plants by beneficial soil microbes. Front. Plant Sci. 2017;8:1816. DOI 10.3389/fpls.2017.01816

23. Rashid M.H., Kim H.-J., Yeom S.-I., Yu H.-A., Manir M.M., Moon S.- S., Kang Y.J., Chung Y.R. Bacillus velezensis YC7010 enhances plant defenses against brown planthopper through transcriptomic and metabolic changes in rice. Front. Plant Sci. 2018;9:1904. DOI 10.3389/fpls.2018.01904

24. Rodríguez M., Marín A., Torres M., Béjar V., Campos M., Sampedro I. Aphicidal activity of surfactants produced by Bacillus atrophaeus L193. Front. Microbiol. 2018;9:3114-3123. DOI 10.3389/fmicb.2018.03114

25. Rumyantsev S.D., Alekseev V.Y., Sorokan A.V., Burkhanova G.F., Cherepanova E.A., Garafutdinov R.R., Maksimov I.V., Veselova S.V. Additive effect of the composition of endophytic bacteria Bacillus subtilis on systemic resistance of wheat against greenbug aphid Schizaphis graminum due to lipopeptides. Life. 2023;13(1): 214. DOI 10.3390/life13010214

26. Sorokan A., Cherepanova E., Burkhanova G., Veselova S., Rumyantsev S., Alekseev V., Mardanshin I., Sarvarova E., Khairullin R., Benkovskaya G., Maksimov I. 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;11:569457. DOI 10.3389/fmicb.2020.569457

27. Tunsagool P., Leelasuphakul W., Jaresitthikunchai J., Phaonakrop N., Roytrakul S., Jutidamrongphan W. Targeted transcriptional and proteomic studies explicate specific roles of Bacillus subtilis iturin A, fengycin, and surfactin on elicitation of defensive systems in mandarin fruit during stress. PLoS One. 2019;14(5):e0217202. DOI 10.1371/journal.pone.0217202

28. Veselova S.V., Nuzhnaya T.V., Maksimov I.V. The effect of 1-methylcyclopropene on the components of pro- and antioxidant systems of wheat and the development of defense reactions in fungal pathogenesis. Appl. Biochem. Microbiol. 2014;50(5):516-523. DOI 10.1134/S0003683814050111

29. Veselova S.V., Burkhanova G.F., Rumyantsev S.D., Blagova D.K., Maksimov I.V. Strains of Bacillus spp. regulate wheat resistance to greenbug aphid Schizaphis graminum Rond. Appl. Biochem. Microbiol. 2019;55(1):41-47. DOI 10.1134/S0003683819010186

30. Veselova S.V., Sorokan A.V., Burkhanova G.F., Rumyantsev S.D., Cherepanova E.A., Alekseev V.Y., Sarvarova E.R., Kasimova A.R., Maksimov I.V. By modulating the hormonal balance and ribonuclease activity of tomato plants Bacillus subtilis induces defense response against potato virus X and potato virus Y. Biomolecules. 2022;12(2):288. DOI 10.3390/biom12020288

31. Waewthongrak W., Leelasuphakul W., McCollum G. Cyclic lipopeptides from Bacillus subtilis ABS–S14 elicit defense-related gene expression in citrus fruit. PLoS One. 2014;9(10):e109386. DOI 10.1371/journal.pone.0109386

32. Xia Y., Liu J., Chen C., Mo X., Tan Q., He Y., Wang Z., Yin J., Zhou G. The multifunctions and future prospects of endophytes and their metabolites in plant disease management. Microorganisms. 2022; 10(5):1072. DOI 10.3390/microorganisms10051072

33. Zhu-Salzman K., Salzman R.A., Ahn J.-E., Koiwa H. Transcriptional regulation of sorghum defense determinants against a phloem-feeding aphid. Plant Physiol. 2004;134(1):420-431. DOI 10.1104/pp.103.028324