Characterization of beneficial microbial interactions with Brassicaceae species under saline stress
- Autores: Glòria Escolà Oliva
- Directores de la Tesis: Sílvia Busoms Gonzalez (dir. tes.), Roser Tolrà Pérez (codir. tes.), Charlotte Poschenrieder Wiens (codir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Autònoma de Barcelona ( España ) en 2025
- Idioma: inglés
- Número de páginas: 236
- Tribunal Calificador de la Tesis: Teresa Capell Capell (presid.), Soledad Martos Arias (secret.), Gabriel Castrillo Molina (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Biología y Biotecnología Vegetal por la Universidad Autónoma de Barcelona
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TDX
- Resumen
- español
Se estima que más del 10% de les suelos del planeta están afectador por la salinidad, un problema creciente que limita gravemente la producción agrícola y se convierte en uno de los principales retos actuales. En este escenario, garantizar el rendimiento de los cultivos bajo condiciones salinas es fundamental. La microbiota asociada a la plantas, especialmente las bacterias promotoras del crecimiento vegetal, juega un papel clave en la adaptación a condiciones ambientales adversas. Esta tesis tiene como objetivo estudiar el papel de la microbiota de la rizosfera de poblaciones de Brassica fruticulosa adaptadas a suelos salinos de naturaleza neutra y alcalina. Asimismo, se ha explorado el efecto de la inoculación, tanto individual como en consorcio, de sus bacteria promotoras del crecimiento vegetal en plantas de Sinapis alba. La inoculación de la microbiota de la rizosfera de poblaciones de B. fruticulosa tolerantes a la salinidad mejoró la tolerancia a la salinidad de poblaciones sensibles en condiciones de salinidad neutra. Posteriormente, se aisló su comunidad bacteriana y se seleccionaron 15 cepas de acuerdo con su tolerancia a la salinidad y su rendimiento in vitro en diversos mecanismos responsables de la promoción del crecimiento vegetal. De estas 15, únicamente 5 fueron capaces de mejorar el crecimiento de poblaciones sensibles de B. fruticulosa en condiciones de salinidad neutra cuando fueron inoculadas individualmente. Por este motivo, los mecanismos promotores del crecimiento previamente identificados fueron reevaluados bajo diferentes niveles de salinidad neutra. La salinidad afectó de manera significativa el rendimiento, potenciándolo o reprimiéndolo según la cepa y la concentración de sal. No obstante, tres cepas (R52, R60 y T7) presentaron una actividad consistente entre los tratamientos. Su inoculación individual en plantas de Sinapis alba favoreció la tolerancia de la planta a la salinidad. Sin embargo, en el ensayo de productividad, en el que se compararon inoculaciones individuales y en consorcio, la cepa T7 destacó, mostrando el mejor rendimiento vegetal cuando se aplicó individualmente. Estudios posteriores centrados en salinidad alcalina revelaron que la microbiota de la rizosfera de poblaciones de B. fruticulosa tolerantes mejoraba la tolerancia a este estrés combinado en plantas sensibles. Del aislamiento de esta microbiota, se seleccionaron las cepas E1 y E14. Junto con R60 y T7, mantuvieron sus capacidades promotoras del crecimiento con ligeras variaciones en condiciones salinas. Su inoculación (individual y en consorcio) en S. alba mostró que la aplicación individual de T7 promovía la producción de forma consistente en los tratamientos salinos. Para profundizar en la caracterización de T7, se ensambló su genoma y se identificó como Pantoea agglomerans. El análisis transcriptómico de raíces de S. alba inoculadas o no con T7 reveló una fuerte respuesta génica diferencial debida a la inoculación. Se detectaron genes sobreexpresados relacionados con la absorción de nutrientes y la homeostasis del hierro, así como una respuesta al estrés más intensa en las plantas inoculadas con la cepa T7, tanto en condiciones de salinidad neutra como alcalina. Además, la bacteria T7 evidenció una capacidad para modular la Estrategia I de absorción de hierro de la planta, contribuyendo a una mejora vegetal en situaciones de deficiencia de este micronutriente. Estos resultados demuestran que las microbiotas adaptadas a suelos salinos constituyen una fuente valiosa de bacterias beneficiosas, capaces de mitigar el estrés salino en las plantas. En particular, la cepa T7 evidenció un elevado potencial como bioinoculante, con aplicaciones prometedoras en estrategias agrícolas sostenibles en zonas afectadas por la salinidad. Además, abre nuevas perspectivas para el estudio de las interacciones planta-microorganismo en ambientes adversos.
- English
Salt-affected soils are estimated to cover more than 10% of the global land area, with their extent increasing each year. Salinity severely limits the productivity of most crops globally, standing out as a major challenge for agriculture. In this current scenario, securing and improving yield production under saline conditions has become imperative. Plant microbiomes and their associated plant growth-promoting bacteria hold a pivotal role in improving plant adaptive strategies to face environmental challenge factors. Accordingly, this thesis aims to study the role of the rhizospheric microbiome of Brassica fruticulosa, native to both neutral- and alkaline-saline soils. Moreover, the associated plant growth-promoting bacteria were explored in individual and consortia inoculation in Sinapis alba plants, under both neutral and alkaline salinity treatment, independently.
Inoculation with the rhizospheric microbiome of salt-tolerant B. fruticulosa populations from neutral-saline soils improved the salinity tolerance of salt-sensitive populations under neutral salinity. Subsequently, the bacterial community was isolated, and 15 strains were selected based on their salinity tolerance and in vitro performance of certain plant growth promoting mechanisms. Only 5 out of the 15 strains were capable of promoting the growth of salt-sensitive B. fruticulosa plants under neutral-salinity conditions when individually inoculated. Therefore, the previously proven plant growth-promoting mechanisms were evaluated under increasing neutral salinity levels. Notably, salinity influenced their performance (either enhancing or repressing), depending on strain and salt concentration. However, three bacteria (R52, R60, and T7) presented consistent activity across treatments. The individual inoculation of these 3 bacteria in Sinapis alba plants enhanced plant salinity tolerance. Nonetheless, in fitness assays, where both individual and consortia were tested, strain T7 stood out individually, significantly improving plant yield under both control and stressful conditions.
Further studies focused on alkaline-salinity revealed that the rhizospheric microbiome of salt-tolerant B. fruticulosa populations from alkaline-saline soils improved tolerance to this combined stress in salt-sensitive plants. From this microbiome isolation, E1 and E14 bacterial strains were selected. Together with R60 and T7, they maintained their in vitro plant growth-promoting traits with only minor alterations under salinity treatments. Their inoculation (individually and in consortia) to S. alba plants showed that T7 applied alone promoted growth and fitness consistently across salinity treatments. To deepen in T7 characterization, its whole genome was assembled and identified as Pantoea agglomerans. Transcriptomic analysis of S. alba roots revealed strong differential gene expression responses when inoculated with T7. Genes involved in nutrient uptake and iron homeostasis were upregulated, and stronger stress responses in T7-inoculated plants under both saline treatments were observed. Moreover, T7 exhibited a modulation of plant Strategy I, increasing plant performance under iron deficient treatment.
These findings demonstrate that microbiomes adapted to saline soils are valuable sources of beneficial bacteria capable of alleviating salinity stress in plants. In particular, the T7 strain exhibits strong potential as a bioinoculant for sustainable agricultural practices in salinity-affected areas, while also offering new insights into plant-microbe interactions under adverse environmental conditions.
- català
S’estima que més del 10% dels sòls del planeta estan afectats per la salinitat, un problema creixent que limita greument la producció agrícola i esdevé un dels principals reptes actuals. En aquest escenari, garantir el rendiment dels cultius sota condicions salines és fonamental. La microbiota associada a les plantes, especialment els bacteris promotors del creixement vegetal, juga un paper clau en l’adaptació a condicions ambientals adverses. Aquesta tesi té com a objectiu estudiar el rol de la microbiota de la rizosfera de poblacions de Brassica fruticulosa adaptades a sòls salins de naturalesa neutra i alcalina. Així mateix, s’ha explorat l’efecte de la inoculació, tan individual com en consorci, dels seus bacteris promotors del creixement vegetal en plantes de Sinapis alba sotmeses a tractaments de salinitat neutra i alcalina de manera per separat. La inoculació de la microbiota de la rizosfera de poblacions de B. fruticulosa tolerants a la salinitat va millorar la tolerància a la salinitat de poblacions sensibles en condicions de salinitat neutra. Seguidament, es va aïllar la seva comunitat bacteriana, i es van seleccionar 15 soques d’acord amb la seva tolerància a la salinitat i el seu rendiment in vitro en diversos mecanismes responsables de la promoció del creixement vegetal. D’aquestes 15, únicament 5 van ser capaces de millorar el creixement de poblacions sensibles de B. fruticulosa en condicions de salinitat neutra, quan van ser inoculades individualment. Per aquest motiu, els mecanismes promotors del creixement prèviament identificats van ser reavaluats sota diferents nivells de salinitat neutra. La salinitat va afectar de manera significativa el rendiment, potenciant-lo o reprimint-lo segons la soca i la concentració de sal. No obstant això, tres soques (R52, R60 i T7) van presentar una activitat consistent entre els tractaments. La seva inoculació individual en plantes de Sinapis alba va afavorir la tolerància de la planta a la salinitat. Tanmateix, en l’assaig de productivitat, en què es van comparar inoculacions individuals i en consorci, la soca T7 va destacar, mostrant el millor rendiment vegetal quan es va aplicar individualment. Estudis posteriors centrats en salinitat alcalina van revelar que la microbiota de la rizosfera de poblacions de B. fruticulosa tolerants millorava la tolerància a aquest estrès combinat en plantes sensibles. De l’aïllament d’aquesta microbiota, les soques E1 i E14 van ser seleccionades. Juntament amb R60 i T7, van mantenir les seves capacitats promotores del creixement amb lleugeres variacions en condicions salines. La seva inoculació (individual i en consorci) en S. alba va mostrar que l’aplicació individual de T7 promovia la producció de forma consistent en els tractaments salins. Per aprofundir en la caracterització de T7, es va assemblar el seu genoma i es va identificar com a Pantoea agglomerans. L’anàlisi de transcriptòmica d’arrels de S. alba inoculades o no amb T7 va revelar una forta resposta gènica diferencial deguda a la inoculació. Es van detectar gens sobreexpressats relacionats amb l’absorció de nutrients i l’homeòstasi del ferro, així com una resposta a l’estrès més intensa en les plantes inoculades amb la soca T7, tant en condicions de salinitat neutra com alcalina. A més, el bacteri T7 va evidenciar una capacitat per modular l’Estratègia I d’absorció de ferro de la planta, contribuint a una millora vegetal en situacions de deficiència d’aquest micronutrient. Aquests resultats demostren que les microbiotes adaptades a sòls salins constitueixen una font valuosa de bacteris beneficiosos, capaços de mitigar l’estrès salí en les plantes. En particular, la soca T7 va evidenciar un elevat potencial com a bioinoculant, amb aplicacions prometedores en estratègies agrícoles sostenibles en zones afectades per la salinitat. A més, obre noves perspectives per a l’estudi de les interaccions planta-microorganisme en ambients adversos.
- español
