Перспективные штаммы бактерий рода Bacillus в защите растений от возбудителей фузариоза и контаминации микотоксинами

Цель – изучить биоконтрольные свойства штаммов B. velezensis BZR 336g и B. velezensis BZR 517 в отношении возбудителей фузариоза на примере гриба Fusarium graminearum и снижения накопления дезоксиниваленола (ДОН) и зеараленона (ЗЕН) in vitro.

Материалы и методы. Изучение токсиногенности штаммов грибов F. graminearum проводили на зерне риса и пшеницы, влияние бактерий штаммов B. velezensis BZR 336g и B. velezensis BZR 517 на рост гриба изучали на зерне пшеницы и методом двойных культур. Опыт по изучению влияния жидкой культуры и супернатанта бактерий проводили на зерне пшеницы, содержание ДОН и ЗЕН в зерне пшеницы анализировали методами ВЭЖХ и иммуноферментного анализа.

Результаты. Обнаружена способность двух штаммов гриба F. graminearum продуцировать высокий уровень микотоксинов, при этом штамм F. graminearum 60318 имел большую скорость роста. Штаммы B. velezensis BZR 336g и B. velezensis BZR 517 продуцировали экзометаболиты липопептидной природы и ингибировали рост гриба штамма F. graminearum 60318. Жидкая культура и супернатант штаммов B. velezensis BZR 336g и B. velezensis BZR 517 в значительной степени подавляли содержание ДОН в зерне пшеницы in vitro, при этом содержание ЗЕН оставалось на уровне контроля.

Заключение. Способность двух штаммов бактерий B. velezensis BZR 336g и B. velezensis BZR 517 подавлять рост гриба F. graminearum 60318, а также сдерживать накопление микотоксинов в зерне пшеницы in vitro позволяет утверждать, что увеличение содержания бактерий‐антагонистов В. velezensis BZR 336g и В. velezensis BZR 517 в микробиоте пшеницы может способствовать подавлению роста и вредоносности гриба F. graminearum 60318.

1. Janik E., Niemcewicz M., Ceremuga M., Stela M., Saluk-Bijak J., Siadkowski A., Bijak M. Molecular aspects of micotoxins – a serious problem for human health // International Journal of Molecular Sciences. 2020. V. 21(2). Article number: 8187 https://doi.org/10.3390/ijms21218187

2. Sato I., Ito M., Ishizaka M., Ikunaga Y., Sato Y., Yoshida S., Koitabashi M., Tsushima S. Thirteen novel deoxynivalenol- degrading bacteria are classified within two genera with distinct degradation mechanisms // FEMS Microbiology Letters. 2012. V. 327(2). P. 110-117. DOI: 10.1111/j.1574-6968.2011.02461.x

3. Bakker M.G., Brown D.W., Kelly A.C., Kim H.S., Kurtzman C.P., Mccormick S.P., O’Donnell K.L., Proctor R.H., Vaughan M.M., Ward T.J. Fusarium mycotoxins: A trans-disciplinary overview // Can. J. Plant Path. 2018. V. 40(2). P. 161-171. DOI: 10.1080/07060661.2018.1433720

4. Chtioui W., Balmas V., Delogu G., Migheli Q., Oufensou S. Bioprospecting phenols as inhibitors of trichothecene-producing Fusarium: sustainable approaches to the management of wheat pathogens // Toxins. 2022. V. 14. Iss. 2. Article number: 72 DOI: 10.3390/toxins14020072

5. Zhu Y., Hassan Y.I., Lepp D., Shao S., Zhou T. Strategies and methodologies for developing microbial detoxification systems to mitigate mycotoxins // Toxins (Basel). 2017. V. 9(4). Article number: 130. DOI: 10.3390/toxins9040130

6. Chen Y., Wang J., Yang N., Wen Z., Sun X., Chai Y., Ma Z. Wheat microbiome bacteria can reduce virulence of a plant pathogenic fungus by altering histone acetylation // Nature communications. 2018. V. 9(1). Article number: 3429. DOI: 10.1038/s41467-018-05683-7

7. Zhou T., Gong J., Yu H., Li X.Z. Bacterial isolate and methods of detoxification of trichothecene mycotoxins. US Patent N 20100239537, 2010.

8. Shen W., Liu Y., Zhan X., Zhan X., Rong X., Zhao L., Ji C., Lei Y., Li F., Chen J., Ma Q. Comparison of ameliorative effects between probiotic and biodegradable Bacillus subtilis on zearalenone toxicosis in gilts // Toxins. 2021. V. 13(12). Article number: 882 DOI: 10.3390/toxins13120882

9. Jia R., Cao L., Liu W., Shen Z. Detoxification of deoxynivalenol by Bacillus subtilis ASAG 216 and characterization the degradation process // Eur Food Res Technol. 2021. V. 247. P. 67-76. DOI: 10.1007/s00217-020-03607-8

10. Lee T., Park D., Kim K., Lim S.M., Yu N.H., Kim S., Kim H.Y., Jang J.Y., Park J.C., Ham H., Lee S., Hong S.K., Kim J.C. Characterization of Bacillus amyloliquefaciens DA12 showing potent antifungal activity against mycotoxigenic Fusarium species // Plant pathology. 2017. V. 33(5). P. 499-507. DOI: 10.5423/ppj.ft.06.2017.0126

11. Zalila-Kolsi I., Ben A., Hacina M., Sameh A., Sellami S., Nasfi Z.,Tounsi S.,Jamoussi K. Antagonist effects of Bacillus spp. strains against Fusarium graminearum for protection of durum wheat (Triticum turgidum L. subsp. durum) // Microbiological research. 2016. V. 19. P. 148-158. DOI: 10.1016/j.micres.2016.06.012

12. Ji C., Fan Y., Zhao L. Review on biological degradation of mycotoxins // Animal nutrition. 2016. V. 2(3). P. 127-133. DOI: 10.1016/j.aninu.2016.07.003

13. Sidorova T.M., Asaturova A.M., Homyak A.I., Shternshis M.V., Tomashevich N.S. Optimization of laboratory cultivation conditions for the synthesis of antifungal metabolites by Bacillus subtilis strains // Saudi journal of biological sciences. 2020. V. 27. Iss. 7. P. 1879-1885. DOI: 10.1016/j.sjbs.2020.05.002

14. Сидорова Т.М., Асатурова А.М., Аллахвердян В.В. Особенности антагонизма бактерий рода Bacillus по отношению к токсиногенным грибам Fusarium при защите растений от болезни и контаминации микотоксинами (обзор) // Юг России: экология, развитие. 2021. Т. 16. N 4. С. 86-103. DOI: 10.18470/1992-1098-2021-4-86-103

15. Cawoy H., Debois D., Franzil L., De Pauw E., Thonart P., Ongena M. Lipopeptides as main ingredients for inhibition of fungal phytopathogens by Bacillus subtilis/amyloliquefaciens // Microbial biotechnology. 2015. V. 8(2). P. 281-295. DOI: 10.1111/1751-7915.12238

16. Zhu Y., Hassan Y.I., Lepp D., Shao S., Zhou T. Strategies and methodologies for developing microbial detoxification systems to mitigate mycotoxins// Toxins (Basel). 2017. V. 9(4). Article number: 130. DOI: 10.3390/toxins9040130

17. Сидорова Т.М., Асатурова А.М., Хомяк А.И., Томашевич Н.С. Выделение и характеристика антигрибных метаболитов штаммов Bacillus subtilis BZR 336g и Bacillus subtilis BZR 517 модифицированным методом биоавтографии // Сельскохозяйственная биология. 2019. N 54. C. 178-185. DOI: 10.15389/agrobiology.2019.1.178rus

18. Нетрусов Ф.И. Практикум по микробиологии. М.: Издательский центр «Академия», 2005. 608 с.

19. Shi K., Yang P., Li J., Wu H., Li K., Guan S. Biocontrol of Fusarium graminearum growth and deoxynivalenol production in wheat grains using bacterial antagonists // International journal of environmental research and public health. 2014. V. 11(1). P. 1094- 1105. DOI: 10.3390/ijerph110101094

20. Кононенко Г.П., Буркин А.А. Фузариотоксины в зерновых кормах // Ветеринарная патология. 2002. N 2. C. 129-132.

21. Кононенко Г.П., Пирязева Е.А., Буркин А.А. Влияние субстрата на биосинтез микотоксинов Fusarium graminearum Schw // Успехи медицинской микологии. 2017. N 17(6). C. 433- 437.

22. Palazzini J., Roncallo P., Cantoro R., Chiotta M., Yerkovich N., Palacios S., Echenique V., Torres A., Ramirez M., Kariovsky P., Chulze S. Biocontrol of Fusarium graminearum sensu stricto, reduction of deoxynivalenol accumulation and phytohormone induction by two selected antagonists // Toxins. 2018. V. 10(2). Article number: 88. DOI: 10.3390/toxins10020088

23. Taheur F.B., Kouidhi B., Qurashi Y.M., Salah-Abbès J.B., Chaieb K. Review: Biotechnology of mycotoxins detoxification using microorganisms and enzymes // Toxicon. 2019. V. 160. P. 12-22. DOI: 10.1016/j.toxicon.2019.02.001

24. Сидорова Т.М., Асатурова А.М., Хомяк А.И. Биологически активные метаболиты Bacillus subtilis и их роль в контроле фитопатогенных микроорганизмов (обзор) // Сельскохозяйственная биология. 2018. N 53(1). C. 29-37. DOI: 10.15389/agrobiology.2018.1.29rus

25. Cao Y., Pi H., Chandrangsu P., Li Y., Wang Y., Zhou H., Xiong H., Helmann J. D., Cai, Y. Antagonism of two plant-growth promoting Bacillus velezensis isolates against Ralstonia solanacearum and Fusarium oxysporum // Scientific reports. 2018. V. 8(1). Article number: 4360. DOI: 10.1038/s41598-018-22782-z

26. Hanif A., Zhang F., Li P., Li C., Xu Y., Zubair M., Zhang M., Jia D., Zhao X., Liang J., Majid T., Yan J., Farzand A., Wu H., Gu Q., Gao X. Fengycin produced by Bacillus amyloliquefaciens FZB42 inhibits Fusarium graminearum growth and mycotoxins biosynthesis // Toxins. 2019. V. 11(5). Article number: 295. DOI: 10.3390/toxins11050295

27. Yu C., Liu X., Zhang X., Zhang M., Gu Y., Ali Q., Mohamed M.S.R., Xu J., Shi J., Gao X., Wu H., Gu Q. Mycosubtilin produced by Bacillus subtilis ATCC6633 inhibits growth and mycotoxin biosynthesis of Fusarium graminearum and Fusarium verticillioides // Toxins. 2021. V. 13(11). Article number: 791. DOI: 10.3390/toxins13110791

28. Khan N., Maymon M., Hirsch A.M. Combating Fusarium infection using Bacillus-based antimicrobials // Microorganisms. 2017. V. 5(4). Article number: 75. DOI: 10.3390/microorganisms5040075

29. Lee T.,Dami Park D., Kim K., Lim S.M., Yu N.H., Kim S., Kim H.-Y., Kyu Seok Jung1, Jang J.Y., Park J.-C., Ham H., Lee S., Hong S.K., J.-C. Characterization of Bacillus amyloliquefaciens DA12 showing potent antifungal activity against mycotoxigenic Fusarium species // Plant pathology. 2017. V. 33(5). P. 499-507. DOI: 10.5423/PPJ.FT.06.2017.0126

30. Vanhoutte I., De Mets L., De Boevre M., Uka V., Di Mavungu J.D., De Saeger S., De Gelder L., Audenaert K. Microbial detoxification of deoxynivalenol (DON), assessed via a Lemna minor L. bioassay, through biotransformation to 3-epi-DON and 3-epi-DOM-1 // Toxins. 2017. V. 9(2). Article number: 63. DOI: 10.3390/toxins9020063