Metabolity mikroorganizmów w promowaniu wzrostu roślin. Cykl: “Nauki Rolnicze XXI Wieku”

Znaczenie środowiskowe mikroorganizmów skupia się głównie na ich interakcji z innymi drobnoustrojami oraz organizmami wyższymi, a także stymulowaniu zachodzących w środowisku naturalnych procesów [1]. Szczególne znaczenie zajmują mikroorganizmy i produkty ich metabolizmu w rolnictwie. Do metabolitów pierwotnych wydzielanych przez drobnoustroje mogących mieć zastosowanie w praktyce rolniczej należą białka, enzymy, aminokwasy, lipidy, węglowodany i witaminy, a także alkohole i kwasy organiczne. Metabolity wtórne, nie będące bezpośrednio zaangażowane we wzrost, rozmnażanie i podstawowe procesy fizjologiczne drobnoustrojów także mają zastosowanie praktyczne i do nich zalicza się antybiotyki, barwniki, hormony, biopolimery i toksyny [1-2].

Nawozowe produkty mikrobiologiczne zawierające mikroorganizmy oraz substancje stanowiące pożywkę dla tych mikroorganizmów oraz ich metabolity mają coraz większe znaczenie w rozwoju zrównoważonego rolnictwa [3]. Antoszewski i in. [4] podają, że stosowanie bioinokulantów tj. biofertylizatorów w celu zwiększenia plonów i biopestycydów w celu ochrony roślin jest przyszłością rolnictwa. Bioinokulanty zawierające żywe lub uśpione komórki drobnoustrojów, poprawiające wzrost i rozwój roślin nazywane są PGPM (z ang. plant growth-promoting microorganisms). Wśród tej grupy mikroorganizmów najbardziej znane są grzyby mykoryzowe i bakterie z rodzaju Rhizobium. Jednakże do PGPM należą różne taksony bakterii, grzybów i alg. Mikroorganizmy należące do grupy PGPM stymulują wzrost roślin i chronią przed patogenami poprzez wydzielanie różnych metabolitów komórkowych. Zwiększają kiełkowanie, wydłużanie pędu i korzenia, produkcję biomasy roślin, przyspieszają kwitnienie i szybkość fotosyntezy [4]. Szczególną grupę mikroorganizmów mających znaczenie w promowaniu wzrostu roślin i ochronie przed patogenami stanowią endofity tj. mikroorganizmy kolonizujące wewnętrzne tkanki roślin [5]. Zarówno bakterie jak i grzyby należące do PGPM są zdolne do syntezy i sekrecji kwasu indolilo-2-octowego (IAA), kwasu giberelinowego (GA) oraz cytokinin, które regulują wzrost i rozwój roślin a niektóre dodatkowo chronią przez patogenami [4,6]. Niektóre PGPM są w stanie zwiększyć odporność roślin na czynniki stresowe środowiska jak np. okres suszy, zasolenie, metale ciężkie i toksyczne zanieczyszczenia oraz patogeny poprzez wydzielanie fitoregulatorów w tym enzymu ACC-deaminazy. Enzym ten przekształca prekursor etylenu, fitohormonu kontrolującego wzrost i dojrzewanie roślin a gromadzonego nadmiernie w roślinach w warunkach stresowych, do amoniaku i alfa-ketomaślanu [4,6]. Niektóre mikroorganizmy mogą promować wzrost roślin poprzez ich zdolność do uwalniania z niedostępnych połączeń fosforu i potasu, form bezpośrednio przyswajalnych przez rośliny za pomocą wydzielanych przez nie odpowiednio fosfataz, kwasów organicznych, protonów i egzoplisacharydów oraz kwasów organicznych i polisacharydów otoczkowych [4]. Udział mikroorganizmów jako naturalnych biopestycydów polega między innymi na wydzielaniu przez nie sideroforów, antybiotyków, szeregu metabolitów o działaniu antybiotycznym oraz lotnych i nielotnych metabolitów. Częstym zjawiskiem jest także wydzielanie przez PGPM i endofity kwasu cyjanowodorowego (HCN), biopolimerów i pozakomórkowych glikoprotein zwiększających barierę ochroną roślin przed patogenami [4-5]. Te ostatnie wydzielają także terpenoidy, alkaloidy, związki aromatyczne, a także enzymy lityczne, zdolne do rozkładu chityny, białek, celulozy, hemicelulozy bądź DNA w komórkach patogenów [7].

Dr inż. Michał Możejko
Dr hab. Justyna Bohacz, prof. uczelni

Bibliografia:

Reddy M.S., Girisham S., Narendra Babu G., Vijaypal Reddy B. 2017. Applied microbiology (agriculture, environmental, food and industrial microbiology). Scientific Publishers, New Delhi, India. ISBN: 978-93-86237-90-3.
Abdel-Aziz S.M., Abo Elsoud M.M., Anise A.A.H. 2017. Microbial biosynthesis: A repertory of vital natural products. Food Biosynthesis 2017, 25-54. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-811372-1.00003-8
Gałązka A. 2023. Poradnik preparaty mikrobiologiczne dla roślin rolniczych. Instytut Uprawy Nawożenia i Gleboznawstwa Państwowy Instytut Badawczy, Puławy, Polska. ISBN: 978-83-7562-406-9. https://doi.org/10.26114/por.iung.2023.12.01
Antoszewski M., Mierek-Adamska A., Dąbrowska G.B. 2022. The importance of microorganisms for sustainable agriculture – A review. Metabolites 12, 1100. https://doi.org/10.3390/metabo12111100
Klama J. 2004. Współżycie endofitów bakteryjnych z roślinami. Acta Scientiarum Polonorum Agricultura 3, 19-28.
Ozimek E., Jaroszuk-Ściseł J., Bohacz J., Korniłłowicz-Kowalska J., Tyśkiewicz R., Słomka A., Nowak A., Hanaka A. 2018. Synthesis of indoleacetic acid, gibberellic acid and ACC-deaminase by Mortierella strains promote winter wheat seedlings growth under different conditions. International Journal of Molecular Sciences 19, 3218. https://doi.org/10.3390/ijms19103218
Koczwara K., Pańka D., Lisiecki K., Juda M. 2015. The possibility of use of endophytes in biological plant protection. Journal of Education, Health and Sport 5, 333-340. https://doi.org/10.5281/zenodo.18696