Exploitation of beneficial microorganisms and guanidine nanoparticles in vegetable crops

Sana Saleem, MSc.

Doctoral thesis

Využití prospěšných mikroorganismů a nanočástic guanidinu v zeleninových plodinách

Abstract:

Udržování zdravých a funkčních ekosystémů při současném splnění požadavků na potraviny vyžaduje udržitelné zvýšení zemědělské produkce. Za normálních i stresových podmínek je používání biologických produktů, jako jsou prospěšné houby, považováno za nezbytné pro zachování kondice plodin a zdraví půdy. Životaschopným dlouhodobým způsobem, jak zvýšit produktivitu zemědělství, je zahrnout pozitivní interakce mikroorganismů a rostlin do iniciativ produkce plodin. Agro-biotechnologický pokrok a vědecký výzkum, které se týkají vývoje bioinokulantů, však mají významný vliv na jejich účinnost při použití v terénu. Tato studie se proto zaměřila na vliv prospěšného mikroorganismu Serendipita indica na modelovou rostlinu zelí za kontrolovaných podmínek. Cílem výzkumu bylo studovat účinek S. indica, buď samostatně, nebo v kombinaci s nanočásticemi modifikovanými guanidinem, a s dalším prospěšným mikroorganismem Trichoderma harzianum. Tento výzkum zahrnoval zvládání biotických a abiotických stresů mikroorganismy, nanočásticemi a jejich kombinacemi. Poznatky z tohoto výzkumu potvrdily kolonizaci kořenů zelí S. indica. S. indica zlepšila růst rostlin a snížila výskyt černé skvrnitosti u sazenic zelí způsobené Alternaria brassicicola. Zlepšení morfologických a fyziologických parametrů bylo hlášeno u substrátů S. indica a také u ošetření semen. Ošetření S. indica vedlo k 59% a 41% snížení výskytu černých skvrn pod substrátem a ošetřením semen. Guanidinem modifikované nanočástice byly účinné při zlepšování růstu rostlin a snižování výskytu onemocnění; nedosahovaly však lepších výsledků než S. indica. Kromě toho byla S. indica schopna snížit závažnost dalšího bakteriálního onemocnění černé skvrnitosti zelí způsobeného Xanthomonas campestris pv. campestris. Závažnost onemocnění byla snížena o 27,9 % a 18,8 % v substrátu a semenech ošetřených S. indica, v daném pořadí. Tento účinek byl potvrzen regulací markerů biologického stresu, včetně askorbátperoxidázy (APX), guajakolperoxidázy (GPX), antioxidační kapacity a fenolických látek. V testu in vitro však nálezy neuvedly antagonistický účinek mezi S. indica a dvěma patogeny, Xanthomonas campestris pv. campestris a Alternaria brassicicola. Kromě toho tato studie také zkoumala účinek S. indica na stres ze sucha, buď samostatně nebo v kombinaci s Trichoderma harzianum. Výsledky odhalily zlepšení morfologických a biochemických charakteristik, jako je antioxidační kapacita a obsah fenolických látek u semenáčků ošetřených S. indica a T. harzianum, pokud byly aplikovány samostatně. Získané výsledky však nebyly dostatečně silné. Navíc kombinovaná aplikace dvou prospěšných mikroorganismů neprokázala žádné pokročilé účinky na růst rostlin nebo zvládání abiotického stresu. Kromě toho in vitro test mezi S. indica a T. harzianum odhalil určitou inhibici těchto dvou mikroorganismů. Na základě zjištění této studie pouze S. indica vykázala nejlepší výsledky, pokud jde o růst a vývoj rostlin kapusty za normálních a stresových podmínek, navíc ke snížení závažnosti biotických a abiotických stresů.

Abstract:

Maintaining healthy and functional ecosystems while meeting food demands requires a sustainable increase in agricultural output. In both normal and stress conditions, the use of bio-products such as beneficial fungi are thought to be essential for preserving crop fitness and soil health. A viable long-term way to raise agricultural productivity is to include positive microorganism–plant interactions in crop production initiatives. However, the agro-biotechnological advancements and scientific research that go into developing bioinoculants have a significant influence on their effectiveness when used in the field. This study, therefore, focused on the effect of the beneficial microorganism Serendipita indica on the model plant cabbage under controlled conditions. The research aimed to study the effect of S. indica, either alone or in combination with guanidine-modified nanoparticles, and with another beneficial microorganism, Trichoderma harzianum. This research involved the management of biotic and abiotic stresses by microorganisms, nanoparticles, and their combinations. The findings from this research confirmed the colonization of cabbage roots by S. indica. S. indica improved plant growth and reduced the incidence of black spot disease in cabbage seedlings caused by Alternaria brassicicola. Improvements in morphological and physiological parameters was reported in S. indica substrates as well as seed treatments. S. indica treatment resulted in 59% and 41% decrease in black spot incidence under the substrate and seed treatment, respectively. Guanidine-modified nanoparticles were effective in improving plant growth and reducing disease incidence; however, they did not perform better than S. indica. In addition, S. indica was able to reduce the severity of another bacterial disease black spot of cabbage caused by Xanthomonas campestris pv. campestris. The disease severity was reduced by 27.9% and 18.8% in the substrate and seeds treated with S. indica, respectively. This effect was confirmed by the regulation of biostress markers including ascorbate peroxidase(APX), guaiacol peroxidase(GPX), antioxidant capacity, and phenolics. However, in the in vitro test, findings did not report an antagonistic effect between S. indica and the two pathogens, Xanthomonas campestris pv. campestris and Alternaria brassicicola. Furthermore, this study also investigated the effect of S. indica on drought stress, either alone or in combination with Trichoderma harzianum. The results revealed an improvement in the morphological and biochemical characteristics such as antioxidant capacity and phenolics content in S. indica and T. harzianum treated seedlings when applied alone. However, the results obtained were not strong enough. Moreover, the combined application of the two beneficial microorganisms did not show any advanced effects on plant growth or abiotic stress management. In addition, in vitro test between S. indica and T. harzianum revealed some inhibition of the two microorganisms. Based on the findings of this study, S. indica alone reported the best results in terms of growth and development of cabbage plants under normal and stress conditions, in addition to reducing the severity of biotic and abiotic stresses.

Keywords

Brassica oleracea var capitata, Serendipita indica, Biological control, Guanidine nanoparticle, Trichoderma harzianum, biotic stress, abiotic stress

Keywords

Brassica oleracea var capitata, Serendipita indica, Biological control, Guanidine nanoparticle, biotic stress, abiotic stress, Trichoderma harzianum

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 23. 2. 2024

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Robert Pokluda, Ph.D.

Mendel University in Brno

Faculty of Horticulture

Doctoral programme:
European Horticulture