Taimse päritoluga haloalkalifiil Cistanche'ist: genoomilis-metaboolsed ülevaated tüvest A8 soolalahuse ja leeliselise pinnase ja põllukultuuride parandamiseks

Arutelu

 

Cistanche'i kultiveeritavate endofüütide uurimise hetkeseis

Cistanche'iga seotud kultiveeritavate endofüütide uurimine on endiselt piiratud. Lin et al. [10] eraldas Cistanche juurtest endofüütilise Streptomyces'i (tüvi AC-2) ja Penicillium chrysogenum'i, kusjuures viimasel oli SH-SY5Y rakkudes märkimisväärne neuroprotektiivne toime. Yu et al. [11] teatas, et Cistanche'is kultiveeritavate endofüütsete seente arvukus ja mitmekesisus varieeruvad olenevalt aastaajast, päritolust ja ravimtaime osast. Petrosyan et al. [12] näitasid, et holoparasiidi Cistanche phelypaea seemne endofüüdid võivad soodustada taimede kasvu ja anda soolataluvuse tunnuseid. Kuid meile teadaolevalt ei ole enne seda tööd teatatud Cistanche'i leelis- ja haloalkalofiilide suhtes tolerantsetest endofüütidest bakteritest.

 

Cistanche deserticola

 

 

 

Haloalkalofiilide defineerimine ja positsioneerimistüve A8

Kirjanduses on "haloalkalofiilid" tavaliselt defineeritud kui mikroobid, mille optimaalne kasv soolakontsentratsioonil on suurem või võrdne 3% ja pH on suurem või võrdne 9,0; enamik tüvesid talub pH 7–11 ja 0–15% soolsust [13]. Tüvi A8 kasvab optimaalselt 0–5% soolasisalduse ja pH 9 juures, mis toetab selle esialgset määramist haloalkalofiilseks/leelistolerantseks bakteriks. Tähelepanuväärselt säilitas A8 kasvu pH 13 juures, mis on haruldane isegi haloalkalofiilide seas. Kui sellised mikroobid eraldatakse tavaliselt soolasest või leeliselisest keskkonnast (nt soolajärvedest, soolveekogudest, Surnumerest, mangroovide settest ja risosfäärimullast) [14], siis meie uuringus kirjeldatakse, et A8 on esimene leelistaoline, soolaleelist taluv Bacillaceae (pseudocillus-bacillusalkali isoleeritud peremeestaim).

Soola-leelise taluvuse mehhaaniline alus A8-s

Soola-leelise taluvus on mehaaniliselt keeruline. Võrreldes mittetolerantsete bakteritega aktiveerivad tolerantsed tüved tugevamalt Na+/H+ antiportereid ja nendega seotud ioonide transpordisüsteeme, et reguleerida rakusisest osmootset rõhku, võimaldades kasvada soolalahuses-aluselistes tingimustes [15]. A8 genoomianalüüs tuvastas 10 geenide klassi, mis on seotud soola-leelise talumisega, sealhulgas:

Ühilduvate lahustunud ainete (nt glütsiin-betaiini transporterid) ja trehaloosi sünteesi geenide transporterid;

Mitu antiporterit (Na+/H+ antiporterid, aluselised aminohapete antiporterid);

 

Kaaliumi transporterid ja F0F1 ATP süntaas.

 

Varasemad uuringud näitavad, et glütsiinbetain ja trehaloos on halofiilides laialt levinud osmootse reguleerimise jaoks sobivate lahustunud ainetena [15,16]. Kaaliumi transpordi- ja pordivastased süsteemid võivad tsütoplasmat hapestada, et leevendada elektrofiilset stressi, suurendades seeläbi keskkonna vastupanuvõimet [4]. Meie andmed kinnitavad, et A8 koordineerib mitut geneetilist moodulit, et sünteesida proliini, glütsiini, betaiini ja trehaloosi kõrgemat intratsellulaarset taset ning transportida Na+, K+ ja H+ ioone, säilitades osmootse tasakaalu ja toetades normaalseid rakufunktsioone soolalahuse ja leeliselise stressi korral.

Biofilmid, sekundaarne metabolism ja osmoadaptatsioon

Kuna transmembraanne transport sõltub membraani omadustest, on biokile moodustumine tihedalt seotud soola-leelise taluvusega. Wang et al. [17] näitas, et tüved toodavad soola-leeliselise stressi all rohkem biokilet, et leevendada soolakahjustusi. Transkriptoomilised ja metaboolsed tõendid viitavad sellele, et seskviterpeenide ja triterpeenide biosüntees on seotud taimede stressiresistentsusega [18,19]; analoogsed rajad võivad ristuda bakteriaalsete stressiprogrammidega. Proliin on võtmetähtsusega ühilduv lahustunud aine, mida bakterid sünteesivad vastusena suurele soolasisaldusele [20,21]. A8 ülesreguleeritud ja ainulaadsete metaboliitide raja rikastamise analüüsis soolalahuse ja leeliselise stressi all tuvastasime:

puriini ja steroidide rajad, mis võivad suurendada biokile sünteesi ja seega soola-leelise taluvust;

Tugevad seosed seskviterpeeni/triterpeeni biosünteesi ja stressitaluvuse vahel;

Lüsiini metabolism, mis võib nõrgendada soola stressi [22];

Pantotenaadi ja CoA biosünteesi rajad, mis suurendavad energeetilist võimsust, soodustades soolalahuse ja leelise ioonide transporti.

Ühiselt teeme ettepaneku, et A8 kasutaks äärmusliku pH ja soolsuse tingimustes arendamiseks multifaktoriaalset strateegiat - membraani / biokile modulatsiooni, ühilduvat lahustunud ainete akumulatsiooni ja ioonide homöostaasi.

 

Wecistanche'i cistanche'i kultiveerimisbaas Xinjiangis Yutos

Wecistanche'i tugiteenus – koostöö kohta lisateabe saamiseks
E-post:wallence.suen@wecistanche.com

 

 

Uurimismotivatsioon Cistanche kui teadusliku põllukultuuri jaoks

 

Mikrobioom-toega põllukultuuride arendamine: kuivade ja sageli soolaste elupaikade jaoks kohanenud holoparasiitse ravimtaimena võib Cistanche võõrustada ainulaadseid endofüüte, millel on erakordsed haloalkalofiilsed tunnused. Selliste tüvede (nt A8) isoleerimine ja funktsionaalne iseloomustamine avab võimalused mikrobioomi abil aretamiseks ja inokulantide arendamiseks, et parandada Cistanche kasvatamist marginaalsetel (soola-leeliseliste) maadel.

Mulla taastamine ja bioinokulandid: A8 taluvusprofiil viitab sellele, et see võib olla šassii tüve soolase ja leeliselise pinnase parandamiseks. Välikatsed võiksid testida otsest inokuleerimist soola-leeliselistesse muldadesse, jälgides füüsikalis-keemilisi indekseid, et kvantifitseerida paranemismõju.

Taimede jõudluse parandamine: A8 kasutamine risosfääri inokuleerimise, lehtede pihustamise või juure immutamise teel Cistanche'i peremeestaimedele või põetavatele põllukultuuridele võib suurendada soola-leelisekindlust, ellujäämist ja biomassi, toetades otseselt standardiseeritud kultiveerimist ja tooraine kvaliteeti.

Mehaaniline valideerimiskonveier: integreerige genoomika (antiporter/ühilduvad lahustunud geenide klastrid), metaboomika (UPLC-MS/MS lahustunud aine ja membraanilipiidide signatuurid) ja fenotüüpimine (biofilmi mõõdikud, kasvukõverad pH 6–13 ja 0–17% soolsuse juures), et luua tugevad toimimisviisid ja regulatiivsed toimikud tööstuslikuks kasutuselevõtuks.

 

Tuleviku töö

Tulevased uuringud hindavad A8 rakendusstsenaariumides: otsene mulla inokuleerimine soolase-leelise põldudel koos pinnase pikisuunaliste omaduste mõõtmisega; ja taimetasandi sekkumised (risosfääri inokuleerimine, lehtede pealekandmine, juurte niisutamine) koos taimesoolade ja leeliste taluvuse analüüsidega. Need andmed võimaldavad täielikult hinnata A8 taimede edendamise potentsiaali ja toetada mikroobsete väetiste väljatöötamist Cistanche kasvatamiseks ja laiemalt soolase põllumajanduse jaoks.

 

Järeldus

 

Isoleerisime Cistanche'ist 50 kultiveeritavat endofüütilist bakteritüve. Nende hulgas on tüvi A8 meile teadaolevalt esimene peremeestaimest isoleeritud leelistaoline soolaleelist taluv Bacillaceae (pseudo-alkaliphilic Bacillus) tüvi. A8 kasvab vahemikus 0–17% soolsus (optimaalne 0–5%) ja pH 6,0–13,0 (optimaalne pH 9) ning nihutab aktiivselt kultuuri pH-d oma kasvuoptimumi suunas. Genoomsed ja UPLC-MS/MS metaboolsed analüüsid lähenevad, et näidata, et A8 säilitab osmootse tasakaalu ja seega normaalse rakufunktsiooni, sünteesides ühilduvate lahustunud ainete (nt betaiin, proliin, trehaloos) kõrgendatud tasemeid ning transportides Na+, K+ ja H+ läbi mitme antiporteri ja transpordisüsteemi. Need teadmised annavad mehaanilise aluse A8 võimendamiseks soolase ja leeliselise pinnase parandamisel, mikroobsete väetiste väljatöötamisel ja taimede soola-leelise taluvuse parandamisel, pakkudes strateegilist ressurssi Cistanche põllukultuuride uurimiseks ja standardiseeritud kasvatamiseks.

 

Viited

[10] Lin Z, Wen J, Zhu T jt. Cistanche deserticolaga seotud endofüütilisest seenest pärinev krüsogenamiid A ja selle neuroprotektiivne toime SH-SY5Y rakkudele. The Journal of Antibiotics. 2008;61(2):81–85.
[11] Yu J, Zhou F, Chen J jt. Endofüütsete seente mitmekesisus Cistanche'is. China Journal of Chinese Materia Medica. 2011;36(05):542–546. (hiina keeles)
[12] Petrosyan K, Thijs S, Piwowarczyk R jt. Holoparasiidi Cistanche phelypaea (Orobanchaceae) seemnete endofüütsete bakterite mitmekesisus ja potentsiaalne taimekasvu soodustav võime. Teaduslikud aruanded. 2023;13(1):11835.
[13] Zhang S, Li Z, Yan Y jt. Bacillus urumqiensis sp. nov., soolajärvest eraldatud mõõdukalt haloalkalofiilne bakter. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology. 2016;66(6):2305–2312.
[14] Joshi A, Thite S, Karodi P jt. Alkalihalobacterium elongatum gen. nov. sp. nov.: Lonar Lake'ist eraldatud antibiootikume tootv bakter ja perekonna Alkalihalobacillus ümberklassifitseerimine seitsmesse uudsesse perekonda. Mikrobioloogia piirid. 2021;12:722369.
[15] Qin Y, Druzhinina IS, Pan X jt. Mikroobide vahendatud taimesoola taluvus ja mikrobioomipõhised lahendused soolase põllumajanduse jaoks. Biotehnoloogia edusammud. 2016;34(7):1245–1259.
[16] Liu W, Wang Q, Hou J jt. Halotolerantsete ja leeliseliste taimede kasvu soodustava risobakteri Klebsiella sp. kogu genoomi analüüs. D5A. Teaduslikud aruanded. 2016;6:26710.
[17] Wang C, Pei J, Li H jt. Paenibacillus polymyxa SC2 soolataluvuse mehhanismid ja selle kasvu soodustavad mõjud maisi seemikutele soolases tingimustes. Mikrobioloogilised uuringud. 2024;282:127639.
[18] Zhang C, Zhang C, Xu X, Liao M jt. Transkriptoomianalüüs annab ülevaate regulatiivsetest mehhanismidest, mis on loodusliku banaani (Musa itinerans) normaalsel kõrgel temperatuuril õietolmu idanemise taastumise aluseks. Taimeteaduse piirid. 2023;14:1255418.
[19] Kong L, Chen P, Chang C. Põuakindlus ja ginsenosiidi biosüntees vastusena abstsitsiinhappele in Panax ginseng CA Meyer. International Journal of Molecular Sciences. 2023;24(11):9194.
[20] Xing Q, Zhang S, Tao X jt. Polüextremofiilne Natranaerobius thermophilus kasutab pikaajalise soolsusstressi suhtes kahekordset strateegiat, akumuleerides samaaegselt ühilduvaid lahustunud aineid ning K+. rakendus- ja keskkonnamikrobioloogiat. 2024;90(5):e0014524.
[21] Sunita K, Mishra I, Mishra J jt. Halotolerantsete taimede kasvu soodustavate risobakterite sekundaarsed metaboliidid taimede soolsuse stressi leevendamiseks. Mikrobioloogia piirid. 2020;11:567768.
[22] Arruda P, Barreto P. Lüsiini katabolism sahharopiini raja kaudu: ensüümid ja vahesaadused, mis osalevad taimede reaktsioonides abiootilisele ja biootilisele stressile. Taimeteaduse piirid. 2020;11:587.