The colonization of an arbuscular mycorrhizal fungus Glomus intraradices BEG110 in the soil caused a decrease in disease severity in cucumber plants after fungal inoculation with Colletotrichum orbiculare. In order to illustrate the resistance mechanism mediated by G. intraradices BEG110, infection patterns caused by C. orbiculare in the leaves of cucumber plants and the host cellular responses were characterized. These properties were characterized using transmission electron microscopy on the leaves of cucumber plants grown in soil colonized with G. intraradices BEG110. In the untreated plants, inter- and intra-cellular fungal hyphae were observed throughout the leaf tissues during both the biotrophic and necrotrophic phases of infection. The cytoplasm of fungal hyphae appeared intact during the biotrophic phase, suggesting no defense response against the fungus. However, several typical resistance responses were observed in the plants when treated with G. intraradices BEG110 including the formation of sheaths around the intracellular hyphae or a thickening of host cell walls. These observations suggest that the resistance mediated by G. intraradices BEG110 most often occurs in the symplast of the host cells rather than in the apoplast. In addition, this resistance is similar to those mediated by biotic inducers such as plant growth promoting rhizobacteria.
Plants have the ability to acquire an enhanced level of resistance to pathogen attack after being exposed to specific biotic stimuli. To obtain plant growth-promoting rhizobacteria inducing resistance against cucumber anthracnose by Colletotrichum orbiculare, more than 800 strains of rhizobacteria were screened in the greenhouse. Among these strains, Bacillus amyloliquefaciens solate EXTN-1 showed significant disease control efficacy on the plants. Induction of pathogenesis-related(PR-la) gene expression by EXTN-1 was assessed using tobacco plants transformed with PR-1a::$\beta$-glucuronidase(GUS) construct. GUS activities of tobacco treated with EXTN-1 and salicylic acid-treated transgenic tobacco were significantly higher than those of tobacco plants with other treatments. Gene expression analyses indicated that EXTN-1 induces the accumulation of defense-related genes of tobacco. The results showed that some defense genes are expressed by the treatment with EXTN-1 suggesting the similar resistance mechanism by salicylic acid.
Hata, Erneeza Mohd;Yusof, Mohd Termizi;Zulperi, Dzarifah
The Plant Pathology Journal
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제37권2호
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pp.173-181
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2021
The genus Streptomyces demonstrates enormous promise in promoting plant growth and protecting plants against various pathogens. Single and consortium treatments of two selected Streptomyces strains (Streptomyces shenzhenensis TKSC3 and Streptomyces sp. SS8) were evaluated for their growth-promoting potential on rice, and biocontrol efficiency through induced systemic resistance (ISR) mediation against Xanthomonas oryzae pv. oryzicola (Xoc), the causal agent of rice bacterial leaf streak (BLS) disease. Seed bacterization by Streptomyces strains improved seed germination and vigor, relative to the untreated seed. Under greenhouse conditions, seed bacterization with consortium treatment TKSC3 + SS8 increased seed germination, root length, and dry weight by 20%, 23%, and 33%, respectively. Single and consortium Streptomyces treatments also successfully suppressed Xoc infection. The result was consistent with defense-related enzyme quantification wherein single and consortium Streptomyces treatments increased peroxidase (POX), polyphenol oxidase, phenylalanine ammonia-lyase, and β,1-3 glucanase (GLU) accumulation compared to untreated plant. Within all Streptomyces treatments, consortium treatment TKSC3 + SS8 showed the highest disease suppression efficiency (81.02%) and the lowest area under the disease progress curve value (95.79), making it the best to control BLS disease. Consortium treatment TKSC3 + SS8 induced the highest POX and GLU enzyme activities at 114.32 µmol/min/mg protein and 260.32 abs/min/mg protein, respectively, with both enzymes responsible for plant cell wall reinforcement and resistant interaction. Our results revealed that in addition to promoting plant growth, these Streptomyces strains also mediated ISR in rice plants, thereby, ensuring protection from BLS disease.
본 연구는 독도에서 서식하는 자생식물인 번행초와 번행초의 근권에서 미생물들을 분리하였다. 분리 균의 식물생장 촉진 특성을 확인하였으며, 식물 병에 대한 저항성을 유도효과를 가진 균 중 범용성이 좋은 바실러스 속 세균에 초점을 두어 실험을 진행하였다. 번행초의 분리 균들은 근권환경에 52종, 식물체 내생 환경에서 51종, 식물체 표면에서 35종으로 총 138종의 분리 균이 확보되었다. 분리 균의 식물생장촉진특징을 확인하여 보기 위하여, 식물 성장에 필요한 난용성인 가용화와 철의 결합에 사용되는 siderophore의 생산능, 식물생장호르몬인 옥신 생산능을 확인하여 각각의 비율을 확인하였고, 3가지 특성을 모두 가진 균의 비율을 확인하였다. 또한 분리 균을 담배에 처리하여 병원균에 대한 유도전신저항성을 확인하였고, 그 중 효과가 좋았던 균 35종을 부분 동정한 결과, 바실러스 속은 KUDC6588, KUDC6597, KUDC6606, KUDC6614, KUDC6615, KUDC6619로 나타났다. 6종의 바실러스 속 세균들은 모두 저항성 향상에 좋은 효과를 보였으며, 특히 KUDC6619의 경우 현재 화학항생물질인 BTH와도 비슷한 효과를 보였다. KUDC6619는 대표적인 식용작물인 고추에서도 유도전신저항성의 향상에 대한 좋은 결과를 나타내었다. 따라서 사람과 동물에 대한 안전성, 식물 병원성 등 다양한 테스트를 진행한 후, 안정성이 확보된다면, KUDC6619는 식물의 ISR을 야기하는 생물농약 으로서의 높은 산업적 가치가 있을 것으로 보인다.
식물은 재배기간 동안 세균, 진균, 바이러스 등의 생물 스트레스뿐만 아니라 고온, 염, 건조 등 다양한 환경 스트레스에도 노출되어 왔다. 최근에는 기후 이상현상으로 인하여 환경 스트레스의 빈도 및 강도가 불규칙적으로 증가하고 있으며 이로 인해 병원균의 생장과 영향도 변화하여 생물과 환경의 복합 스트레스가 식물 재배에 큰 영향을 주고 있다. 유용미생물을 이용한 식물의 저항성 유도는 다양한 생물과 환경 스트레스로부터 식물을 보호하는 데 도움을 주며, 이러한 스트레스에 대한 피해를 감소시킬 수 있는 가능성을 열어 주었다. 본 리뷰에서는 식물의 생물과 환경 스트레스에 대한 피해를 감소시키는 데 영향을 주는 미생물의 결정인자에 대해 기술하였으며 미생물 결정인자에 의해 유도되는 식물 신호전달 체계 변화에 대해 기술하였다. 또한 복합 스트레스 경감을 위한 미생물의 역할과 연구 방향에 대해 기술하였다. 이 리뷰를 통해 변화하는 환경에 대비하기 위해서 다양한 방안을 마련하고 있는 농민들에게 도움이 되기를 바라며, 실제 유용미생물 연구가 식물 재배 중 발생할 수 있는 다양한 스트레스에 따른 농가 피해를 감소시킬 효과적 대응 방안으로 이어지길 바란다.
Resistance inductions on the leaves of cucumber plant by an arbuscular mycorrhiza Glomus intraradices were investigated. In addition, the infection structures were observed at the penetration sites on the leaves of plant inoculated with Colletotrichum orbiculare using a fluorescence microscope. The severity of anthracnose disease caused by Colletotrichum orbiculare was significantly decreased on the leaves of cucumber plant colonized with G intraradices compared with those of non-treated control plants. As a positive control, pre-treatment with DL-3-aminobutyric acid (BABA) caused a remarkable reduction of the disease severity on the pathogen-inoculated leaves. There were no significant differences in the frequency of either germination or appressorium formation of the plant pathogen between mycorrhiza colonized and non-treated plants. It was also the same on the BABA pre-treated plants. However, the frequency of callose formation was significantly high on the leaves of G intraradices colonized plants compared to those of non-treated control plants at 5 days after challenge inoculation. On the leaves of BABA treated plants callose formation was not significantly high than those of non-treated, although the disease severity was more strongly suppressed. It was suggested that the resistance induced by colonization with G. intraradices might be related to the enhancement of callose formation at the penetrate sites on the leaves invaded by the pathogen, whereas resistance by BABA did not.
Here, we show that an endophytic bacterial strain, Enterobacter asburiae B1 exhibits the ability to elicit ISR in cucumber, tobacco and Arabidopsis thaliana. This indicates that strain B1 has a widespread ability to elicit ISR on various host plants. In this study, E. asburiae strain B1 did not show antifungal activity against tested major fungal pathogens, Colletotrichum orbiculare, Botrytis cinerea, Phytophthora capsici, Rhizoctonia solani, and Fusarium oxysporum. Moreover, the siderophore production by E. asburiae strain B1 was observed under in vitro condition. In greenhouse experiments, the root treatment of strain B1 significantly reduced disease severity of cucumber anthracnose caused by fungal pathogen C. orbiculare compared to nontreated control plants. By root treatment of strain B1 more than 50% disease control against anthracnose on cucumber was observed in all greenhouse experiments. Simultaneously, under the greenhouse condition, the soil drench of strain B1 and a chemical inducer benzothiadiazole (BTH) to tobacco plants induced GUS activity which is linked with activation of PR promoter gene. Furthermore, in Arabidopsis thaliana plants the soil drench of strain B1 induced the defense gene expression of PR1 and PDF1.2 related to salicylic acid and jasmonic acid/ethylene signaling pathways, respectively. In this study, for the main focus on root colonization by strain B1 associated with defense responses, bacterial cells of strain B1 was tagged with the gfp gene encoding the green fluorescent protein in order to determine the colonization pattern of strain B1 in cucumber. The gfp-tagged B1 cells were found on root surface and internal colonization in root, stem, and leaf. In addition to this, the scanning electron microscopy observation showed that E. asburiae strain B1 was able to colonized cucumber root surface.
Among the root colonizing and plant growth promoting bacteria isolated from the bacterial wilt suppressive soil, five strains were detected to produce siderophores by CAS agar assay. The most effective isolate, TS3-7 strain induced significant suppression of bacterial wilt disease in tomato and pepper plants. Seed treatment followed by soil drench application with this strain resulted in over 80% reduction of bacterial wilt disease compared with the control. Significant disease suppression by TS3-7 strain was related to the production of siderophore. Besides iron competition, induction of resistance of the host plant with siderophore was suggested to be another mode of action that suppress bacterial wilt, based on the lack of direct antibiosis against pathogen in vitro. According to Bergey's Manual of Systemic Bacteriology and 16S rDNA sequence data, TS3-7 stain was identified as Pseudomonas sp. TS3-7.
Infection structures were observed at the penetration sites on the leaves of cucumber plants inoculated with Colletotrichum orbiculare using a fluorescence microscope. The cucumber plants were previously drenched with suspension of bacterial strains Pseudomonas putida or Micrococcus luteus. The plants pre-inoculated with both bacterial strains were resistant against anthracnose after inoculation with C. orbiculare. To investigate the resistance mechanism by both bacterial strains, the surface of infected leaves was observed at the different time after challenge inoculation. At 3 days after inoculation there were no differences in the germination and appressorium formation of conidia of C. orbiculare as well as in the callose formation of the plants between both bacteria pre-inoculated and non-treated. At 5 days, the germination and appressorium formation of the fungal conidia were, however, significantly decreased on the leaves of plants pre-inoculated with M. luteus at the concentration with $1.0{\times}10^7\;cfu/ml$. Furthermore, callose formation of plants cells at the penetration sites was apparently increased. In contrast, there were no defense reactions of the plants at the concentration with $1.0{\times}10^6\;cfu/ml$ of M. luteus. Similarly, inoculation P. putida caused no plant resistance at the low concentration, whereas increase of callose formation was observed at the higher concentration. The results of this study suggest that the resistant mechanisms might be differently expressed by the concentration of pre-treatment with bacterial suspension.
The selected five plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) strains, WR8-3 (Pseudomonas fluorescens), WR8-6 (P. putida), WR9-9 (P. fluorescens), WR9-11 (Pseudomonas sp.), and WR9-16 (P. putida) isolated in the rhizosphere of watermelon plants were tested on their growth promotion and control effect against gummy stem rot of watermelon. Strains, WR8-3 and WR9-16 significantly increased stem length of watermelon, and there was a little increase in leaf area, fresh weight and root length when strains, WR8-3, WR9-9 and WR9-16 were treated. Generally, seed treatment was better for plant growth promotion than the soil drench, but there was no significant difference. Seed treatment and soil drench of each bacterial strain also significantly reduced the mean lesion area (MLA) by gummy stem rot, but there was no significant difference between the two treatments. At initial inoculum densities of each strain ranging from 10$^6\;to\;10^{15}$ cfu/g seed, approximately the same level of disease resistance was induced. But resistance induction was not induced at the initial inoculum density of 10$^3$ cfu/g seed. Resistance was induced by treating the strains, WR9-9, WR9-11 and WR9-16, on all of four watermelon varieties tested, and there was no significant difference in the decrease of gummy stem rot among varieties. Populations of the strains treated initially at log 9-10 cfu/g seed, followed with a rapid decrease from planting day to 1 week after planting, but the population density was maintained above log 5.0 cfu/g soil until 4 weeks after planting. Generally no or very weak in vitro antagonism was observed at the strains treated excepting WR9-11. Rifampicin-resistant bacteria which had been inoculated were not detected in the stems or leaves, which suggesting that the bacterium and the pathogens remained spatially separated during the experiment. This is the first report of rsistance induction in watermelon to gummy stem rot by PGPR strains.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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