Ryu, Choong-Min;Farag, Mohammed A.;Pare, Paul. W.;Kloepper, Joseph W.
The Plant Pathology Journal
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v.21
no.1
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pp.7-12
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2005
Plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) are a wide range of root-colonizing bacteria with the capacity to enhance plant growth and control plant pathogens. Here we review recent progress that indicate some PGPR strains release a blend of volatile organic compounds (VOCs) that promote growth in Arabidopsis seedlings and induce resistance against Erwinia carotovora subsp. carotovora. In particular, the volatile components 2,3-butanediol and acetoin released exclusively from the PGPR strains triggered the greatest level of growth promotion and induced systemic resistance. Pharmacological applications of 2,3-butanediol promoted the plant growth and induced resistance, while bacterial mutants blocked in 2,3-butanediol and acetoin synthesis was devoid of growth-promotion and induced resistance capacities. The results suggested that the bacterial VOCs play a critical role in the plant growth promotion and induced resistance by PGPR. Using transgenic and mutant lines of Arabidopsis, we provide evidences that the signal pathway activated by volatiles from one PGPR strain is dependent on cyto-kinin activation for growth promotion and dependent on an ethylene-signaling pathway for induced pathogen resistance. This discovery provides new insight into the role of bacterial VOCs as initiators of both plant growth promotion and defense responses in plants.
In our previous study, three bacterial strains, Bacillus megaterium KU143, Microbacterium testaceum KU313, and Pseudomonas protegens AS15, were selected as effective biocontrol agents against Aspergillus flavus on stored rice grains. In this study, we evaluated the inhibitory effects of the volatiles produced by the strains on A. flavus growth and aflatoxin production on stored rice grains. The three strains significantly reduced mycelial growth of A. flavus in dual-culture assays compared with the negative control strain, Sphingomonas aquatilis KU408, and an untreated control. Of these tested strains, volatiles produced by B. megaterium KU143 and P. protegens AS15 markedly inhibited mycelial growth, sporulation, and conidial germination of A. flavus on agar medium and suppressed the fungal populations in rice grains. Moreover, volatiles produced by these two strains significantly reduced aflatoxin production in the rice grains by A. flavus. To our knowledge, this is the first report of the suppression of A. flavus aflatoxin production in rice grains using B. megaterium and P. protegens volatiles.
Plants and microorganisms (microbes) use information from chemicals such as volatile compounds to understand their environments. Proficiency in sensing and responding to these infochemicals increases an organism's ecological competence and ability to survive in competitive environments, particularly with regard to plant-pathogen interactions. Plants and microbes acquired the ability to sense and respond to biogenic volatiles during their evolutionary history. However, these signals can only be interpreted by humans through the use of state-of the-art technologies. Newly-developed tools allow microbe-induced plant volatiles to be detected in a rapid, precise, and non-invasive manner to diagnose plant diseases. Beside disease diagnosis, volatile compounds may also be valuable in improving crop productivity in sustainable agriculture. Bacterial volatile compounds (BVCs) have potential for use as a novel plant growth stimulant or as improver of fertilizer efficiency. BVCs can also elicit plant innate immunity against insect pests and microbial pathogens. Research is needed to expand our knowledge of BVCs and to produce BVC-based formulations that can be used practically in the field. Formulation possibilities include encapsulation and sol-gel matrices, which can be used in attract and kill formulations, chemigation, and seed priming. Exploitation of biogenic volatiles will facilitate the development of smart integrated plant management systems for disease control and productivity improvement.
In our previous studies, Bacillus megaterium KU143, Microbacterium testaceum KU313, and Pseudomonas protegens AS15 have been shown to be antagonistic to Aspergillus flavus in stored rice grains. In this study, the biocontrol activities of these strains were evaluated against Aspergillus candidus, Aspergillus fumigatus, Penicillium fellutanum, and Penicillium islandicum, which are predominant in stored rice grains. In vitro and in vivo antifungal activities of the bacterial strains were evaluated against the fungi on media and rice grains, respectively. The antifungal activities of the volatiles produced by the strains against fungal development and population were also tested using I-plates. In in vitro tests, the strains produced secondary metabolites capable of reducing conidial germination, germ-tube elongation, and mycelial growth of all the tested fungi. In in vivo tests, the strains significantly inhibited the fungal growth in rice grains. Additionally, in I-plate tests, strains KU143 and AS15 produced volatiles that significantly inhibited not only mycelial growth, sporulation, and conidial germination of the fungi on media but also fungal populations on rice grains. GC-MS analysis of the volatiles by strains KU143 and AS15 identified 12 and 17 compounds, respectively. Among these, the antifungal compound, 5-methyl-2-phenyl-1H-indole, was produced by strain KU143 and the antimicrobial compounds, 2-butyl 1-octanal, dimethyl disulfide, 2-isopropyl-5-methyl-1-heptanol, and 4-trifluoroacetoxyhexadecane, were produced by strain AS15. These results suggest that the tested strains producing extracellular metabolites and/or volatiles may have a broad spectrum of antifungal activities against the grain fungi. In particular, B. megaterium KU143 and P. protegens AS15 may be potential biocontrol agents against Aspergillus and Penicillium spp. during rice grain storage.
Park, Jin-Gyu;Park, Jae-Nam;Han, In-Jun;Song, Beom-Seok;Kim, Jae-Hun;Yoon, Yo-Han;Byun, Myung-Woo;Park, Kyung-Sook;Lee, Ju-Woon
Food Science of Animal Resources
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v.31
no.2
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pp.200-206
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2011
Off-flavor and lipid oxidation are possible defects of irradiated bulgogi. This study compared the effects of several physicochemical treatments on microbial safety, volatiles, lipid oxidation, and sensory properties of irradiated beef bulgogi. Samples were separately irradiated with 20 kGy after each treatment such as packaging (aerobic and vacuum), antioxidants (vitamin C + ${\alpha}$-tocopherol (0.0 and 1.0%, w/w)), charcoal teabags (0 and 0.5%), or different temperatures (room temperature, -20, and -70$^{\circ}C$). No bacterial growth was observed (p<0.05) after irradiation of more than 20 kGy during storage at $35^{\circ}C$. Volatiles created by irradiating bulgogi were toluene, heptane, and 1,3-bis(1,1-dimethylethyl)benzene. Irradiation offflavor, lipid oxidation, and deterioration of sensory quality induced by irradiation were effectively reduced (p<0.05) by all physico-chemical treatments tested.
BACKGROUND: Bacterial shot hole of stone fruits is a seriuos plant disease caused by Xanthomonas arboricola pv. pruni (Xap). Techniques to control the disease are required. In this study, microorganisms with antibacterial activity were isolated to develop as a microbial agent against the bacterial shot hole. METHODS AND RESULTS: An isolate with the strongest activity among the isolates was identified as Streptomyces avidinii based on 16S rRNA gene sequence analysis and designated Streptomyces sp. J46. J46 showed suppression of bacterial leaf spot with a control value of 90% at 10 times-diluted cell free supernatant. To investigate antibacterial metabolites produced by J46, the supernatant of J46 was extracted with organic solvents, and the extracts were subjected to chromatography works. Antibacterial metabolites were not extractable with organic solvents. Both reverse and normal phase techniques were not successful because the metabolites were extremely water soluble. The antibacterial metabolites were not volatiles but protein compounds based on hydrolysis enzyme treatment. CONCLUSION: Our study suggests that Streptomyces sp. J46 may be a potential as an microbial agent against bacterial shot hole. Further study to identify the metabolites is required in more detail.
The objective of this study was to investigate the effect of nitrogen compounds such as protein on the chemical composition and toxicity of cigarette mainstream smoke. BSA protein was treated into the tobacco leaf of original 2R4F cigarette at 1~4 % level. The studies were performed which included a bacterial mutagenicity assay and a mammalian cell cytotoxicity assay for total particulate matter(TPM), and glutathione(GSH) consumption assay for gas/vapor phase(GVP) and determination of smoke chemical constitute. Cigarettes treated with protein were observed dose-dependent increase in yield of volatiles, semi-volatiles and aromatic amines compared with control cigarette. However, carbonyl compounds such as acrolein was lower than that of control cigarette when calculated on an equal TPM basis. The cytotoxicity of TPM obtained from the protein-added cigarettes was not different from that of control cigarette. However, the mutagenicity of the TPM from protein-treated cigarettes(1~4 %) was up to 10-27 % higher than that of control. On the other hand, toxicity of GVP from protein-treated cigarette(4 %) was significantly decreased compared with control cigarette. An overall assessment of our data suggests that nitrogen compounds such as protein should be important for the chemical composition and biological activity of cigarette mainstream smoke.
Utama, Dicky Tri;Kim, Yeong Jong;Jeong, Hae Seong;Kim, Juntae;Barido, Farouq Heidar;Lee, Sung Ki
Asian-Australasian Journal of Animal Sciences
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v.33
no.1
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pp.157-165
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2020
Objective: The objective of this study was to compare the quality of dry-aged beef from cull Hanwoo cows slaughtered at 60 or 80 months old. Methods: A total of eight cull Hanwoo carcasses with a quality grade of 3 (low-grade) were selected and divided into two age groups: 63.5±2.5 months old (n = 4) and 87.8±4.5 months old (n = 4). Whole longissimus thoracis et lumborum from the 11th rib to the last lumbar vertebrae, including the back fat, was removed from the carcass at 24 h postmortem and aged for 50 days in darkness at a temperature of 2℃±1℃, a relative humidity of 85% and an air flow of 2 m/s. The sampling was performed aseptically after 0, 20, 24, 40, and 50 days of aging. Results: Regardless of the aging period, aging increased the lightness (p<0.05), redness (p<0.05) and yellowness (p<0.05) at initial blooming (90 min after slicing) and the overall acceptance (p<0.05). No further tenderization effect was found after 20 days of aging, but aging for 50 days significantly increased the lipid oxidation (p<0.05). The generation of aroma volatiles in the roast steak from aged samples was higher (p<0.05) than that of non-aged samples. No significant effect of age at slaughter was found on the color, pH, water-holding capacity, cooking loss, shear force value, bacterial counts, volatile basic nitrogen, consumer acceptance, lipid oxidation, fatty acid composition or aroma volatiles. Conclusion: The quality of dry-aged beef obtained from cull Hanwoo cows slaughtered at either 60 or 80 months old with similar quality grade was comparable and extending dry aging for more than 40 days is not recommended considering the costs and further lipid oxidation.
Volatiles exist ubiquitously in nature. Volatile compounds produced by plants and microorganisms confer inter-kingdom and intra-kingdom communications. Autoinducer signaling molecules from contact-based chemical communication, such as bacterial quorum sensing, are relayed through short distances. By contrast, biogenic volatiles derived from plant-microbe interactions generate long-distance (>20 cm) alarm signals for sensing harmful microorganisms. In this review, we discuss prior work on volatile compound-mediated diagnosis of plant diseases, and the use of volatile packaging and dispensing approaches for the biological control of fungi, bacteria, and viruses. In this regard, recent developments on technologies to analyze and detect microbial volatile compounds are introduced. Furthermore, we survey the chemical encapsulation, slow-release, and bio-nano techniques for volatile formulation and delivery that are expected to overcome limitations in the application of biogenic volatiles to modern agriculture. Collectively, technological advances in volatile compound detection, packaging, and delivery provide great potential for the implementation of ecologically-sound plant disease management strategies. We hope that this review will help farmers and young scientists understand the nature of microbial volatile compounds, and shift paradigms on disease diagnosis and management to aromatic (volatile-based) agriculture.
Twenty-nine P. polymyxa strains isolated from rhizospheres of various crops were clustered into five genotypic groups on the basis of BOX-PCR analysis. The characteristics of several plant growth-promoting factors among the isolates revealed the distinct attributes in each allocated group. Under gnotobiotic conditions, inoculation of pepper roots with P. polymyxa isolates significantly increased the biomass in 17 of total 29 treated plants with untreated plants. Experiments on induced systemic resistance (ISR) against bacterial spot pathogen Xanthomonas axonopodis pv. vesicatoria in pepper by P. polymyxa strains were conducted and only one isolate (KNUC265) was selected. Further studies into ISR mediation by the KNUC265 strain against the soft-rot pathogen Erwinia carotovora subsp. carotovora in tobacco demonstrated that the tobacco seedlings exposed to either bacterial volatiles or diffusible metabolites exhibited a reduction in disease severity. In conclusion, ISR and plant growth promotion triggered by P. polymyxa isolates were systemically investigated on pepper for the first time. The P. polymyxa KNUC265 strain, which elicited both ISR and plant growth promotion, could be potentially used in improving the yield of pepper and possibly of other crops.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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