Interactions among a soil-borne pathogen, mycorrhizal fungi and rhizobacteria

Abstract

Wheat crops are known to be devastated by infections of soil-borne pathogens, especially the fungus Gaeumannomyces graminis var. tritici (Ggt) that causes “take-all”. Plant growth promoting rhizobacteria (PGPR) such as Pseudomonas fluorescens have received much attention as biocontrol agents against Ggt, mainly due to their ability to produce antibiotics. The polycetide secondary antimicrobial metabolite 2,4-diacetylphloroglucinol (DAPG) is produced by a number of fluorescent pseudomonad strains and is known to suppress Ggt. Another soil microbial group which have been under investigation for their biocontrol potential against Ggt, are arbuscular mycorrhizal (AM) fungi which have the potential to out-compete Ggt and improve host plant nutrition and vigour. In this thesis, I report results from experiments that investigate interactions among AM fungi, Ggt, and DAPG-producing bacteria. A central hypothesis is that carbon flow from plants and AM fungi stimulates DAPG production. I therefore focus on interactions among AM fungi, Ggt and bacteria in vivo with wheat plants and in vitro with only fungal exudates. The synergistic co-operation of pseudomonads and AM fungi against Ggt was demonstrated and the fungal exudates (from AM and Ggt) produced both in vitro and in vivo increased DAPG production by P. fluorescens. The ecology and functioning of beneficial AM fungi was found not to be influenced by the presence of either Ggt or DAPG, highlighting the potential sustainable suppression of “take all” in wheat rhizosphere.

Οι καλλιέργειες σίτου καταστρέφονται από μολύνσεις εδαφογενών παθογόνων, ιδίως από τον μύκητα Gaeumannomyces graminis var. tritici (Ggt) που προκαλεί την ασθένεια “take-all”. Ριζοβακτήρια που προάγουν την ανάπτυξη των φυτών (Plant Growth Promoting Rhizobacteria - PGPR), όπως οι ψευδομονάδες Pseudomonas fluorescens έχουν μελετηθεί εκτενώς ως βιολογικοί παράγοντες έναντι του Ggt, κυρίως λόγω της ιδιότητας τους να παράγουν αντιβιοτικές ουσίες. Το πολυκετίδιο, δευτερογενής αντιμικροβιακός μεταβολίτης 2,4- διακετυλοφλογλουκινόλη (DAPG) παράγεται από ένα πλήθος φθοριζόντων στελεχών ψευδομονάδων και είναι γνωστό ότι καταστέλλει τον Ggt. Παράλληλα, μια σημαντική ομάδα ωφέλιμων μικροοργανισμών του εδάφους, οι ενδομυκόρριζες Arbuscular Mycorrhizal fungi (AM), αποτελούν δυνητικό παράγοντα βιολογικού ελέγχου έναντι του Ggt, καθώς μπορούν να ανταγωνίζονται τον Ggt, ενώ ταυτόχρονα βελτιώνουν τη θρέψη, την ανάπτυξη και τη συνολική ευρωστία των φυτών. Στη παρούσα διατριβή, αναφέρω τα αποτελέσματα πειραμάτων όπου διερευνώνται οι αλληλεπιδράσεις ανάμεσα σε ωφέλιμων AM μυκήτων, τον παθογόνο Ggt και τα ριζοβακτήρια που παράγουν το αντιβιοτικό DAPG. Βασική υπόθεση που ελέγχεται στη παρούσα μελέτη είναι ότι η ροή άνθρακα από τα φυτά και τους μυκορριζικούς μύκητες (AM) προάγει τη παραγωγή του DAPG από τα ριζοβακτήρια. Έτσι, δίνεται έμφαση στον έλεγχο των αλληλεπιδράσεων ανάμεσα στις ενδομυκόρριζες, το Ggt και τα ριζοβακτήρια τόσο σε συνθήκες καλλιέργειας φυτών in vivo, καθώς και σε εργαστηριακές συνθήκες μόνο με μυκητικά εκκρίματα in vitro. Τα αποτελέσματα έδειξαν συνεργιστική δράση μεταξύ των ψευδομονάδων και των AM μυκήτων στην καταστολή του Ggt. Επιπλέον, τα εκκρίματα των μυκήτων, τόσο των AM όσο και του Ggt που παρήχθησαν στις δοκιμές in vitro και in vivo, αύξησαν την παραγωγή DAPG από το P. fluorescens. Σημαντικό είναι ότι η παρουσία του παθογόνου ή του DAPG δεν επηρέασε αρνητικά την οικολογία και τη λειτουργία των μυκορριζικών μυκήτων. Συνολικά, τα ευρήματα υποδεικνύουν ότι ο συνδυασμός ωφέλιμων μικροοργανισμών στη ριζόσφαιρα μπορεί να αποτελέσει μια αποτελεσματική και βιώσιμη στρατηγική βιολογικής καταπολέμησης της ασθένειας «take-all» στις καλλιέργειες σίτου.