Устойчивые к воздействию тяжелых металлов PGPR штаммы Pseudomonas sp., стимулирующие рост люцерны посевной при кадмиевом стрессе

Обложка
  • Авторы: Чубукова О.В.1, Хакимова Л.Р.1, Матниязов Р.Т.2, Вершинина З.Р.1,3
  • Учреждения:
    1. Институт биохимии и генетики – обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного научного учреждения Уфимского федерального исследовательского центра Российской академии наук
    2. Институт биохимии и генетики – обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного научного учреждения Уфимского федерального исследовательского центра
    3. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уфимский государственный нефтяной технический университет»
  • Выпуск: № 5 (2024)
  • Страницы: 585–595
  • Раздел: МИКРОБИОЛОГИЯ
  • URL: https://cijournal.ru/1026-3470/article/view/647788
  • DOI: https://doi.org/10.31857/S1026347024050037
  • EDN: https://elibrary.ru/ulutlw
  • ID: 647788

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Из почвы, загрязненной химическими отходами, были выделены и исследованы три штамма бактерий рода Pseudomonas, обладающие устойчивостью к тяжелым металлам. В результате анализа генов 16S рРНК и rpoD штамм Pseudomonas sp. 17 НМ был идентифицирован как Pseudomonas capeferrum, а штаммы Pseudomonas sp. 65 НМ и 67 НМ оказались наиболее близки к типовым штамам Pseudomonas silesiensis и Pseudomonas umsongensis. соответственно. Было показано, что штаммы Pseudomonas sp. 17 НМ, 65 НМ, 67 НМ характеризуются разным уровнем устойчивости к тяжелым металлам: максимальная толерантная концентрация (МТК) цинка составила 1 мМ для всех штаммов, кадмия 1, 1.5, 1 мМ, свинца 5, 5, 4 мМ, никеля 7, 9, 7 мМ, соответственно. Все штаммы псевдомонад могут формировать биопленки и обладают свойствами PGPR-бактерий. Обработка семян люцерны посевной (Medicago sativa L.) штаммами Pseudomonas sp. 17 НМ, 65 НМ, 67 НМ в условиях кадмиевого стресса приводила к повышению сухой биомассы проростков люцерны до 40% и увеличению содержания хлорофилла a и b в листьях на 25–33% относительно контроля.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

О. В. Чубукова

Институт биохимии и генетики – обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного научного учреждения Уфимского федерального исследовательского центра Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: chubukova@bk.ru
Россия, просп. Октября, 71, Уфа, 450054

Л. Р. Хакимова

Институт биохимии и генетики – обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного научного учреждения Уфимского федерального исследовательского центра Российской академии наук

Email: chubukova@bk.ru
Россия, просп. Октября, 71, Уфа, 450054

Р. Т. Матниязов

Институт биохимии и генетики – обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного научного учреждения Уфимского федерального исследовательского центра

Email: chubukova@bk.ru
Россия, Российской академии наук просп. Октября, 71, Уфа, 450054

З. Р. Вершинина

Институт биохимии и генетики – обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного научного учреждения Уфимского федерального исследовательского центра Российской академии наук; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Email: chubukova@bk.ru
Россия, просп. Октября, 71, Уфа, 450054; ул. Космонавтов, 1, Уфа, 450000

Список литературы

  1. Баймиев Ан.Х., Ямиданов Р. С., Матниязов Р. Т., Благова Д. К., Баймиев Ал.Х., Чемерис А. В. Получение флуоресцентно меченных штаммов клубеньковых бактерий дикорастущих бобовых для их детекции in vivo и in vitro // Мол. биология. 2011. № 6. С. 984–991.
  2. Хакимова Л. Р., Чубукова О. В., Мурясова А. Р., Симороз Е. В., Чумакова А. К., Вершинина З. Р. Влияние Pseudomonas spp. на растения люцерны Medicago sativa при ингибирующем действии солей кадмия // Таврический вестник аграрной науки. 2022. № 2. С. 155–163.
  3. Чубукова О. В., Хакимова Л. Р., Акимова Е. С., Вершинина З. Р. Филогения и свойства новых штаммов Pseudomonas sp. из ризосферы бобовых растений Южного Урала //Микробиология. 2022. № 5. С. 537–546.
  4. Akinbowale O. L., Peng H., Grant P., Barton M. D. Antibiotic and heavy metal resistance in motile aeromonads and pseudomonads from rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) farms in Australia // Int. J. Antimicrob. Agents. 2007. V. 30. P. 177–182. https://doi.org/10.1016/j.ijantimicag.2007.03.012
  5. Berendsen R. L., van Verk M. C., Stringlis I. A., Zamioudis C., Tommassen J., Pieterse C. M., Bakker P. A. Unearthing the genomes of plant-beneficial Pseudomonas model strains WCS358, WCS374 and WCS417 // BMC Genomics. 2015. V. 16. P. 539. https://doi.org/10.1186/s12864-015-1632-z.
  6. Chen B., Luo S., Wu Y., Ye J., Wang Q., Xu X., Pan F., Khan K. Y., Feng Y., Yang X. The effects of the endophytic bacterium Pseudomonas fluorescens Sasm05 and IAA on the plant growth and cadmium uptake of Sedum alfredii Hance // Front Microbiol. 2017. V. 8. P. 2538. https://doi.org/10.3389/fmicb.2017.02538
  7. Choudhury S., Chatterjee A. Microbial application in remediation of heavy metals: an overview // Arch. Microbiol. 2022. V. 204. P. 268. https://doi.org/10.1007/s00203-022-02874-1
  8. Desoky E. S.M., Merwad A. R. M., Semida W. M., Ibrahim S. A., El-Saadony M. T., Rady M. M. Heavy metals-resistant bacteria (HM-RB): Potential bioremediators of heavy metals-stressed Spinacia oleracea plant //Ecotoxicol. Environ. Saf. // 2020. V. 198. P. 110685. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2020.110685
  9. Ghnaya T., Mnassri M., Ghabriche R., Wali M., Poschenrieder C., Lutts S, Abdelly C. Nodulation by Sinorhizobium meliloti originated from a mining soil alleviates Cd toxicity and increases Cd-phytoextraction in Medicago sativa L. // Front. Plant 2015. V. 6. P. 863. https://doi: 10.3389/fpls.2015.0086
  10. Girard L., Lood C., Rokni-Zadh H., van Noort V., Lavigne R., De Mot R. Reliable identification of environmental Pseudomonas isolates using the rpoD gene // Microorganisms. 2020. V. 8. P. 1166. https://doi.org/10.3390/microorganisms8081166
  11. Gu Y., Ma Y. N., Wang J., Xia Z., Wei H. L. Genomic insights into a plant growth-promoting Pseudomonas koreensis strain with cyclic lipopeptide-mediated antifungal activity // Microbiology. 2020. V. 9. e1092. https://doi.org/10.1002/mbo3.1092
  12. Jócsák I., Knolmajer B., Szarvas M., Rabnecz G., Pál-Fám F. Literature review on the effects of heavy metal stress and alleviating possibilities through exogenously applied agents in Alfalfa (Medicago sativa L.) // Plants (Basel). 2022. V.11. P. 2161. https://doi.org/10.3390/plants11162161
  13. Khakimova L., Chubukova O., Vershinina Z., Maslennikova D. Effects of Pseudomonas sp. OBA 2.4.1 on growth and tolerance to cadmium stress in Pisum sativum L. // BioTech (Basel). 2023. V. 12. P. 5. https://doi: 10.3390/biotech12010005.
  14. Kaminski M. A., Furmanczyk E. M., Sobczak A., Dziembowski A., Lipinski L. Pseudomonas silesiensis sp. nov. strain A3T isolated from a biological pesticide sewage treatment plant and analysis of the complete genome sequence // Syst. Appl. Microbiol. 2018. V. 41. P. 13–22. https://doi.org/10.1016/j.syapm.2017.09.002
  15. Khanna K., Jamwal V. L., Gandhi S. G., Ohri P., Bhardwaj R. Metal resistant PGPR lowered Cd uptake and expression of metal transporter genes with improved growth and photosynthetic pigments in Lycopersicon esculentum under metal toxicity // Scientific reports. 2019. V. 9. 5855. https://doi.org/10.1038/s41598-019-41899-3
  16. Lalucat J., Mulet M., Gomila M., García-Valdés E. Genomics in bacterial taxonomy: impact on the genus Pseudomonas // Genes (Basel). 2020. V. 11. P. 139. https://doi.org/10.3390/genes11020139
  17. Li D., Xu X., Yu H., Han X. Characterization of Pb2+ biosorption by psychrotrophic strain Pseudomonas sp. I3 isolated from permafrost soil of Mohe wetland in Northeast China // J. Environ. Manage. 2017. V. 196. P. 8–15. https://doi: 10.1016/j.jenvman.2017.02.076
  18. Maslennikova D., Nasyrova K., Chubukova O., Akimova E., Baymiev A., Blagova D., Ibragimov A., Lastochkina O. Effects of Rhizobium leguminosarum Thy2 on the growth and tolerance to cadmium stress of wheat plants // Life (Basel). 2022. V. 12. P. 1675. https://doi.org/10.3390/life12101675
  19. Mtengai K., Ramasamy S., Msimuko P., Mzula A., Mwega E. D. Existence of a novel heavy metal-tolerant Pseudomonas aeruginosa strain Zambia SZK-17 Kabwe 1: the potential bioremediation agent in the heavy metal-contaminated area // Environ. Monit. Assess. 2022. V. 194. P. 887. https://doi: 10.1007/s10661-022-10565-z
  20. Mulet M., Bennasar A., Lalucat J., Garcia-Valdes E. An rpoD-based PCR procedure for the identification of Pseudomonas species and for their detection in environmental samples // Mol. Cell Probes. 2009. V. 23. P. 140–147. https://doi.org/10.1016/j.mcp.2009.02.001
  21. Mulet M., Lalucat J., García-Valdés E. DNA sequence-based analysis of the Pseudomonas species // Environ. Microbiol. 2010. V. 12. P. 1513–1530. https://doi.org/10.1111/j.1462-2920.2010.02181.x
  22. Manzoor M., Abid R., Rathinasabapathi B., De Oliveira L. M., da Silva E., Deng F., Rensing C., Arshad M., Gul I., Xian P, Ma L. Q. Metal tolerance of arsenic-resistant bacteria and their ability to promote plant growth of Pteris vittata in Pb-contaminated soil // Sci Total Environ. 2019. V. 660. P. 18–24. https://doi: 10.1016/j.scitotenv.2019.01.013
  23. Narancic T., Salvador, M., Hughes, G. M., Beagan, N., Abdulmutalib, U., Kenny, S. T., Jimenez, J. I. Genome analysis of the metabolically versatile Pseudomonas umsongensis GO16: the genetic basis for PET monomer upcycling into polyhydroxyalkanoates // Microb. Biotechnol. 2021. V. 14. P. 2463–2480. https://doi.org/10.1111/1751-7915.13712
  24. Pande V., Pandey S. C., Sati D., Bhatt P., Samant M. Microbial interventions in bioremediation of heavy metal contaminants in agroecosystem // Front. Microbiol. 2022. V. 6. P. 824084. https://doi.org/10.3389/fmicb.2022.824084
  25. Patel J. S., Patel P. C., Kalia K. Isolation and characterization of nickel uptake by nickel resistant bacterial isolate (NiRBI) // Biomed. Environ. Sci. 2006. V. 19 P. 297–301.
  26. Raklami A., Meddich A., Oufdou K., Baslam M. Plants-microorganisms-based bioremediation for heavy metal cleanup: recent developments, phytoremediation techniques, regulation mechanisms, and molecular responses // Int. J. Mol. Sci. 2022. V. 23. P. 5031. https://doi.org/10.3390/ijms23095031
  27. Saif S., Khan M. S. Assessment of heavy metals toxicity on plant growth promoting rhizobacteria and seedling characteristics of Pseudomonas putida SFB3 inoculated greengram // Acta Scientific Agriculture. 2017. V. 1. P. 47-56.
  28. Singh P., Singh R. K., Zhou Y., Wang J., Jiang Y., Shen N., Jiang M. Unlocking the strength of plant growth promoting Pseudomonas in improving crop productivity in normal and challenging environments: a review // J. Plant Interac. 2022. V. 17. P. 220–238. https://doi.org/10.1080/17429145.2022.2029963
  29. Sambrook J., Fritsch E., Maniatis T. Molecular Cloning: a Laboratory Manual. N.Y.: Cold Spring Harbor Lab. Press, 1989. 1626 p.
  30. Wang Y., Narayanan M., Shi X., Chen X., Li Z., Natarajan D., Ma Y. Plant growth-promoting bacteria in metal-contaminated soil: Current perspectives on remediation mechanisms // Front. Microbiol. 2022. V. 13. P. 966226. https://doi: 10.3389/fmicb.2022.966226

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Филогенетическое древо бактерий, построенное на основании сравнительного анализа последовательностей гена 16S рРНК. Цифрами показана статистическая достоверность порядка ветвления, определенная с помощью “bootstrap”-анализа (показаны величины показателя “bootstrap”-анализа от 70%). На горизонтальной оси приведен вес данного выравнивания, выраженный в количестве замен нуклеотидов (×100). В качестве внешней группы использована нуклеотидная последовательность гена 16S рРНК E. coli ATCC 11775T.

Скачать (539KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Филогенетическое древо бактерий, построенное на основании сравнительного анализа последовательностей гена rpoD. Цифрами показана статистическая достоверность порядка ветвления, определенная с помощью “bootstrap”-анализа (показаны величины показателя “bootstrap”-анализа от 70%). На горизонтальной оси приведен вес данного выравнивания, выраженный в количестве замен нуклеотидов (×100). В качестве внешней группы использована нуклеотидная последовательность гена rpoD E. coli ATCC 11775T.

Скачать (484KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Биопленки, образуемые штаммами Pseudomonas sp. на поверхности планшета через 7 дней культивирования: а – Pseudomonas sp. 17 НМ, среда LB; б – Pseudomonas sp. 65 НМ, среда YM; в – Pseudomonas sp. 67 НМ, среда MH.

Скачать (183KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Образование биопленок на поверхности корней проростков люцерны через 24 ч совместного культивирования: а – Pseudomonas sp. 17 HM; б – Pseudomonas sp. 65 HM; в – Pseudomonas sp. 67 HM.

Скачать (265KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Динамика мобилизации неорганического фосфата штаммами Pseudomonas sp.: 1 – 17 HM; 2 – 67 HM; 3 – 65 HM. По оси абсцисс ‒ сутки, на которые измеряли площадь мобилизации фосфата; по оси ординат ‒ значения площади зон мобилизации фосфата в мм².

Скачать (62KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Влияние штаммов Pseudomonas sp. на сухую биомассу растений люцерны посевной (по оси ординат изменение сухой биомассы растений в г при нормальных условиях (а) и в условиях кадмиевого стресса (б). Обозначения штаммов Pseudomonas sp. (1–4): 1 – контроль; 2 – 17 HM; 3 – 65 HM; 4 – 67 HM.

Скачать (140KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024