Promoting plant growth using ACC deaminase-producing bacteria: insights into plant-bacterial interactions and agricultural and biotechnological applications

Abstract

O etileno é um fitohôrmonio gasoso que apresenta um papel fundamental no desenvolvimento vegetal. Está relacionado com vários processos fisiológicos que regulam o crescimento em plantas que são importantes para seu crescimento e sobrevivência. Sob condições de estresse, as plantas aumentam sua produção de etileno, provocando efeitos adversos que podem incluir a inibição do alongamento das raízes e do processo de nodulação por rizóbios e também a aceleração dos processos de senescência e abscisão. Uma das formas de regular as concentrações de etileno consiste na utilização de bactérias produtoras da enzima ácido 1-aminociclopropano-carboxílico (ACC) desaminase. Essa enzima é responsável pela degradação de ACC, o principal precursor do etileno em plantas, transformando-o em a-cetobutirato e amônia. Este projeto tem como objetivo principal investigar qual o papel da enzima ACC deaminase na mediação da relação entre planta e bactéria e também avaliar a eficiência de bactérias produtoras de ACC deaminase em promover o crescimento de várias espécies de plantas a serem utilizadas para diversos fins biotecnológicos. Resultados obtidos neste trabalho demonstram o papel importante da enzima ACC desaminase na interação entre planta e bactéria, nomeadamente ao nível do processo de nodulação e promoção do crescimento de algumas espécies vegetais. Se verificou também que esta enzima é amplamente transmitida entre várias espécies de bactérias e eucariotos associados com plantas, e fatores como o próprio genótipo da planta hospedeira podem influenciar a sua seleção e transmissão em bactérias. Neste trabalho foi também criada uma metodologia permitindo o isolamento rápido de bactérias produtoras de ACC desaminase e outras enzimas envolvidas na degradação de outros fitohormônios. Seguindo essa metodologia, várias bactérias foram isoladas, caracterizadas, sendo algumas delas utilizadas em experimentos em campo onde promoveram o desenvolvimento de plantas de forma eficaz.

Abstract : Ethylene is a gaseous phytohormone that plays a fundamental role in plant development, being related to several and relevant physiological processes that regulate plant growth and survival. Under stress conditions, plants increase their ethylene production, which may result in adverse consequences, such as, inhibition of root elongation, decrease of rhizobial nodulation of roots, and, ultimately, in senescence and abscission of vegetal tissues. One way to regulate plant ethylene levels consists on the use of bacteria that produce the enzyme 1-aminocyclopropane-1-carboxilate (ACC) deaminase, which degrades ACC (the main precursor of ethylene in higher plants) into a-ketobutyrate and ammonia. Hence, this thesis aims to investigate the role of the enzyme ACC deaminase as a mediator of the interactions between plant and bacteria, and to evaluate the efficiency of selected ACC deaminase-producing bacteria in promoting the growth and development of several plant species to be used for agricultural and biotechnological purposes. The results obtained in this work demonstrate the important role that the enzyme ACC deaminase plays in the interaction between plant and bacteria, namely in the nodulation process of legumes, and in promoting the growth and development of some plant species. Moreover, it has also been verified that this enzyme is widely transmitted amongst several bacteria species, as well as between eukaryotes associated with plants. Several factors such as the host plant genotype, bacterial genetic properties and others, can influence ACC deaminase selection and transmission in bacteria and eukaryotes. Furthermore, in this work, a methodology that allows a rapid isolation of ACC deaminase-producing bacteria, as well as other phytohormone-degrading bacteria was developed and tested. Following this methodology, several bacterial strains were isolated and characterized, and some were selected to be cultivated in bioreactors and used in field experiments, where they promoted plant development effectively.