Fusarium and Rhizoctonia genera are important pathogens of many field crops worldwide. They are constantly evolving and expanding their host range. Selecting resistant cultivars is an effective strategy to break their infection cycles. To this end, we screened a collection of Medicago truncatula accessions against Fusarium oxysporum, Fusarium solani, and Rhizoctonia solani strains isolated from different plant species. Despite the small collection, a biodiversity in the disease response of M. truncatula accessions ranging from resistant phenotypes to highly susceptible ones was observed. A17 showed relative resistance to all fungal strains with the lowest disease incidence and ratings while TN1.11 was among the susceptible accessions. As an initiation of the characterization of resistance mechanisms, the antioxidant enzymes' activities, at the early stages of infections, were compared between these contrasting accessions. Our results showed an increment of the antioxidant activities within A17 plants in leaves and roots. We also analyzed the responses of a population of recombinant inbred lines derived from the crossing of A17 and TN1.11 to the infection with the same fungal strains. The broad-sense heritability of measured traits ranged from 0.87 to 0.95, from 0.72 to 0.96, and from 0.14 to 0.85 under control, F. oxysporum, and R. solani conditions, respectively. This high estimated heritability underlines the importance of further molecular analysis of the observed resistance to identify selection markers that could be incorporated into a breeding program and thus improving soil-borne pathogens resistance in crops.
BACKGROUND: Methane is a major greenhouse gas attributed to global warming partly contributed by agricultural activities from ruminant fermentation and rice paddy fields. Methanotrophs are microorganisms that utilize methane. Their unique metabolic lifestyle is enabled by enzymes known as methane monooxygenases (MMOs) catalyzing the oxidation of methane to methanol. Rice absorbs, transports, and releases methane directly from soil water to its stems and the micropores and stomata of the plant epidermis. Methylobacterium species associated with rice are dependent on their host for metabolic substrates including methane. METHODS AND RESULTS: Methylobacterium spp. isolated from rice were evaluated for methane oxidation activities and screened for the presence of sMMO mmoC genes. Qualitatively, the soluble methane monooxygenase (sMMO) activities of the selected strains of Methylobacterium spp. were confirmed by the naphthalene oxidation assay. Quantitatively, the sMMO activity ranged from 41.3 to 159.4 nmol min-1 mg of protein-1. PCR-based amplification and sequencing confirmed the presence and identity of 314 bp size fragment of the mmoC gene showing over 97% similarity to the CBMB27 mmoC gene indicating that Methylobacterium strains belong to a similar group. CONCLUSION(S): Selected Methylobacterium spp. contained the sMMO mmoC gene and possessed methane oxidation activity. As the putative methane oxidizing strains were isolated from rice and have PGP properties, they could be used to simultaneously reduce paddy field methane emission and promote rice growth.
Tae-Rim Choi;Suk Jin Oh;Jeong Hyeon Hwang;Hyun Jin Kim;Nara Shin;Jeonghee Yun;Sang-Ho Lee;Shashi Kant Bhatia;Yung-Hun Yang
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.33
no.6
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pp.724-735
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2023
NdgR, a global regulator in soil-dwelling and antibiotic-producing Streptomyces, is known to regulate branched-chain amino acid metabolism by binding to the upstream region of synthetic genes. However, its numerous and complex roles are not yet fully understood. To more fully reveal the function of NdgR, phospholipid fatty acid (PLFA) analysis with gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) was used to assess the effects of an ndgR deletion mutant of Streptomyces coelicolor. The deletion of ndgR was found to decrease the levels of isoleucine- and leucine-related fatty acids but increase those of valine-related fatty acids. Furthermore, the defects in leucine and isoleucine metabolism caused by the deletion impaired the growth of Streptomyces at low temperatures. Supplementation of leucine and isoleucine, however, could complement this defect under cold shock condition. NdgR was thus shown to be involved in the control of branched-chain amino acids and consequently affected the membrane fatty acid composition in Streptomyces. While isoleucine and valine could be synthesized by the same enzymes (IlvB/N, IlvC, IlvD, and IlvE), ndgR deletion did not affect them in the same way. This suggests that NdgR is involved in the upper isoleucine and valine pathways, or that its control over them differs in some respect.
A Bacillus sp. strain producing celluase and xylanase was isolated from environmental soil with LB agar plate containing carboxymethylcellulose (CM-cellulose) and beechwood xylan stained with trypan blue as substrates, respectively. Based on the 16S rRNA gene sequence and API 50 CHL test, the strain was identified as B. subtilis and named B. subtilis NC1. The cellulase and xylanase from B. subtilis NC1 exhibited the highest activities for CM-cellulose and beechwood xylan as substrate, respectively, and both enzymes showed the maximum activity at pH 5.0 and $50^{\circ}C$. We cloned and sequenced the genes for cellulase and xylanase from genomic DNA of the B. subtilis NC1 by the shot-gun cloning method. The cloned cellulase and xylanase genes consisted of a 1,500 bp open reading frame (ORF) encoding a 499 amino acid protein with a calculated molecular mass of 55,251 Da and a 1,269 bp ORF encoding a 422 amino acid protein with a calculated molecular mass of 47,423 Da, respectively. The deduced amino acid sequences from the genes of cellulase and xylanase showed high identity with glycosyl hydrolases family (GH) 5 and 30, respectively.
In order to produce high-quality fermenting composts, bacteria strains with high activities of extracellular enzymes (cellulase, chitinase, amylase, protease and lipase) were isolated from the soils in 6 provinces of Korea, and characterized by 16S rRNA gene sequence analysis and properties. The selected 7 stains inoculated to livestock manure for 2' fermenting time, and experimental treatment divided into 3 groups, B1, B2 and B3, according to microbial activity and enzyme type. Our results showed that microbe applications (B1, B2 and B3) can increase (p<0.05) both rhizomes (17-38%) and enzyme activities (50-81%) in compost after fermenting time, respectively, compared to non-microbe treatment (control). The microbe application also decreased significantly (p<0.05) the $NH_3$ and $H_2S$ gas contents 13.4 and 27.3% compared with control, and the Propionic acid and Butyric acid gas contents 14.5 and 19.6%, respectively, as compared to the control. The microbial degradation rate (%) of pesticides and heavy metals increased significantly (p<0.05) after fermenting time, respectively, as compared to the control. Especially, microbe applications were more effective in total rhizomes yields and bioactivities than non-microbe treatment. Thus the results of this study could help in development of potential bioinoculants and composting techniques that maybe suitable for crop production, and protectable for earth environment under various conditions.
As a model compound of PAHs (polycyclic aromatic hydrocarbons) phenanthrene has been regarded as a toxic material, mutagen and carcinogen in various animals. Biodegradation conditions of phenanthrene such as pH, temperature, shaking speed, stabilizer and cofactor of degrading enzymes were investigated with Trametes versicolor and its transformant T. versicolor MrP1 in YMG medium, minimal medium and soil microcosm. T. versicolor MrP1 can overexpress mrp gene encoding Mn-repressed peroxidase that is involved in fungal degradation. Biodegradations of phenanthrene by T. versicolor and T. versicolor MrP1 were optimally performed in conditions of weak-acid (pH 6.0), $30^{\circ}C$, shaken culture and medium containing 5 mM veratryl alcohol or tryptophan. In these optimal conditions, biodegradation of phenanthrene by T. versicolor MrP1 is 31% higher than that of wild type strain in a minimal medium for 20 days. Biodegradation of phenanthrene by T. versicolor MrP1 was also higher than that of wild type in soil microcosm. T. versicolor MrP1 can be a excellent candidate for the bioremediation of PAHs contaminated environments.
Kim, Da Som;Jung, Sung Cheol;Bae, Chang Hwan;Chi, Won-Jae
Microbiology and Biotechnology Letters
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v.45
no.1
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pp.43-50
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2017
A xylan-degrading bacterium (strain WJ-1) was isolated from soil collected from Jeju Island, Republic of Korea. Strain WJ-1 was characterized as a gram-positive, aerobic, and spore-forming bacterium. The predominant fatty acid in this bacterium was anteiso-$C_{15:0}$ (42.99%). A similarity search based on 16S rRNA gene sequences suggested that the strain belonged to the genus Streptomyces. Further, strain WJ-1 shared the highest sequence similarity with the type strains Streptomyces spinoveruucosus NBRC 14228, S. minutiscleroticus NBRC 13000, and S. glaucescens NBRC 12774. Together, they formed a coherent cluster in a phylogenetic tree based on the neighbor-joining algorithm. The DNA G+C content of strain WJ-1 was 74.7 mol%. The level of DNA-DNA relatedness between strain WJ-1 and the closest related species S. glaucescens NBRC 12774 was 85.7%. DNA-DNA hybridization, 16S rRNA gene sequence similarity, and the phenotypic and chemotaxonomic characteristics suggest that strain WJ-1 constitutes a novel subspecies of S. glaucescens. Thus, the strain was designated as S. glaucescens subsp. WJ-1 (Korean Agricultural Culture Collection [KACC] accession number 92086). Additionally, strain WJ-1 secreted thermostable endo-type xylanases that converted xylan to xylooligosaccharides such as xylotriose and xylotetraose. The enzymes exhibited optimal activity at pH 7.0 and $55^{\circ}C$.
Park, Sunhwa;Kim, Hyun-Gu;Kim, Sohyun;Lee, Min-Kyeong;Lee, Gyeong-Mi;Kim, Young;Kim, Moon-Su;Kim, Taeseung
Journal of Soil and Groundwater Environment
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v.19
no.4
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pp.62-69
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2014
In the results of monitoring nitrate concentration in more than 8,000 groundwater wells around agro-livestock, the average and maximum nitrate concentration was 9.4 mg/L and 101.2 mg/L, respectively. Since about 31% of the monitoring wells was exceed the quality standard for drinking water, nitrate control such as remediation or source regulation is required to conserve safe-groundwater in South Korea. Typical nitrate-treatment technologies include ion exchange, reverse osmosis, and biological denitrification. Among the treatment methods, biological denitrification by indigenous microorganism has environmental and economic advantages for the complete elimination of nitrate because of lower operating costs compared to other methods. Major mechanism of the process is microbial reduction of nitrate to nitrite and nitrogen gas. Three functional genes (nosZ, nirK, nirS) that encode for the enzyme involved in the pathway. In this work, we tried to develop simple process to determine possibility of natural denitrification reaction by monitoring the functional gene. For the work, the functional genes in nitrate-contaminated groundwater were monitored by using PCR with specific target primers. In the result, functional genes (nosZ and nirK) encoding denitrification enzymes were detected in the groundwater samples. This method can help to determine the possibility of natural-nitrate degradation in target groundwater wells without multiplex experimental process. In addition, for field-remediation application we selected nitrate-contaminated site where 200~600 mg/L of nitrate is continuously detected. To determine the possibility of nitrate-degradation by stimulated-natural attenuation, groundwater was sampled in two different wells of the site and nitrate concentration of the samples was 300 mg/L and 616 mg/L, respectively. Fumarate for different C/N ratio was added into microcosm bottles containing the groundwater to examine denitrification rate depending on carbon concentration. In the result, once 1.5 times more than amount of fumarate stoichiometry required was added, the 616 mg/L of nitrate and 300 mg/L of nitrate were completely degraded in 8 days and 30 days. The nitrite, byproduct of denitrification process, was also completely degraded during the experimental period.
Choi, Hye Jin;Han, Young Sun;Park, Doo Hyun;Oh, Bo Young;Hur, Myung Je;Jo, Nam-Gyu;Kim, Young Hee;Kim, Jong-Guk
Journal of Life Science
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v.24
no.10
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pp.1110-1117
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2014
Tidal flats are continuously contaminated by human activities. This study assessed the bioremediation efficiency of tidal flat soil using microcosm reactors and microorganisms originating from the tidal area. We screened 135 bacterial strains that produce extracellular enzymes from the tidal area located in the North port of Incheon bay. Two bacterial strains (Pseudoalteromonas sp. and IC35 Halothiobacillus neapolitanus IC_S22) were selected and used in the microcosm reactors, which were specially designed to functionally mimic the ecological conditions of the tidal flats. Pseudoalteromonas sp. IC35 was selected based on its relatively high activity of the enzymes amylase, cellulose, lipase, and protease. Halothiobacillus neapolitanus IC_S22 was selected for oxidation of sulfur. The M1 and M2 microcosm reactors were operated by continuous feeding of seawater under the same conditions, but M2 was first inoculated with Pseudoalteromonas sp. IC35 before the seawater feeding. The initial COD in both the M1 and M2 microcosm reactors was 320 mg/l. The final COD was 21 mg/l (M1) and 7 mg/l (M2). The M3 and M4 microcosm reactors were operated by continuous feeding of seawater under the same conditions, but M4 was first inoculated with H. neapolitanus IC_S22. The initial sulfate concentration in both the M3 and M4 microcosm reactors was 660 mg/l, and the maximum sulfate concentration was 1,360 mg/l (M3) and 1,600 mg/l (M4).
Han, Joon-Hee;Park, Gi-Chang;Kim, Joon-Oh;Kim, Kyoung Su
Research in Plant Disease
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v.21
no.4
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pp.280-289
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2015
Maize (Zea mays L.) is an economically important crop in worldwide. While the consumption of the maize is steadily increasing, the yield is decreasing due to continuous mono-cultivation and infection of soil-borne fungal pathogens such as Fusarium species. Recently, stalk rot disease in maize, caused by F. subglutinans and F. temperatum has been reported in Korea. In this study, we isolated bacterial isolates in rhizosphere soil of maize and subsequently tested for antagonistic activities against F. subglutinans and F. temperatum. A total of 1,357 bacterial strains were isolated from rhizosphere. Among them three bacterial isolates (GC02, GC07, GC08) were selected, based on antagonistic effects against Fusarium species. The isolates GC02 and GC07 were most efficient in inhibiting the mycelium growth of the pathogens. The three isolates GC02, GC07 and GC08 were identified as Bacillus methylotrophicus, B. amyloliquefaciens and B. thuringiensis using 16S rRNA sequence analysis, respectively. GC02 and GC07 bacterial suspensions were able to suppress over 80% conidial germination of the pathogens. GC02, GC07 and GC08 were capable of producing large quantities of protease enzymes, whereas the isolates GC07 and GC08 produced cellulase enzymes. The isolates GC02 and GC07 were more efficient in phosphate solubilization and siderophore production than GC08. Analysis of disease suppression revealed that GC07 was most effective in suppressing the disease development of stalk rot. It was also found that B. methylotrophicus GC02 and B. amyloliquefaciens GC07 have an ability to inhibit the growth of other plant pathogenic fungi. This study indicated B. methylotrophicus GC02 and B. amyloliquefaciens GC07 has potential for being used for the development of a biological control agent.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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