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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.11.2019.tde-21012019-141537
Document
Author
Full name
Jaqueline Raquel de Almeida
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Piracicaba, 2018
Supervisor
Committee
Verdi, Maria Carolina Quecine (President)
Araujo, Welington Luiz de
Azevedo, João Lucio de
Romão-Dumaresq, Aline Silva
Title in English
Molecular mechanisms involved in the bacterial talking and maize growth promotion
Keywords in English
Azospirilum brasilense
Bacillus sp. RZ2MS9
CRISPR-Cas9
PGPB
Quorum quenching
Abstract in English
With the increase of agricultural production, there is an improvement in the use of mineral fertilizers, which may cause different environmental problems, besides the soil salinization. A possible alternative for reducing the application of these products is the use of plant growth-promoting bacteria (PGPB), that can be used alone or in co-inoculation, resulting in an alternative environmentally and economically feasible. Better results can be obtained if the interaction among bacteria-bacteria and bacteria-plant be elucidated, and strategy developed to optimize these interactions. Thus, the plant growth-promoting Bacillus sp. RZ2MS9, previous described as a potential PGPB in maize and soybean, was GFP-tagged and monitored alone and co-inoculated with Azospirillum brasilense (Ab-v5::pWM1013) during maize colonization. The interaction of tagged strains in maize were monitored by fluorescent microscopy (FM) and quantitative PCR (qPCR), demonstrating an endophytic behavior of Bacillus sp. RZ2MS9. Although the non-detection of Ab-v5::pWM1013, the co-inoculation resulted in the best increase in root and shoot dried weight, root volume and in root diameter, showing that inoculation with more than one strain can be a good choice to development of bio-fertilizers. One important system to bacterial interaction is the quorum sensing (QS). The QS is an important cell-cell communication system that allows bacterial cells to recognize their own population and modulate their gene expression. This, system is also involved in the interspecific communication, including other bacterial species and plants. In the other hand, enzymes able to detect and degrade these molecules evolved, the called quorum quenching (QQ) system, that has been evolved in some bacteria as competitive advantage for niches colonization. The aiiA gene, was one of the first gene related with the QQ in Bacillus. The aiiA was found in Bacillus sp. RZ2MS9 genome. Through construction of a new QQ biosensor, Agrobacterium tumefaciens At11006, and validated by A. tumefaciens NTL4, the ability of RZ2MS9 to degrade QS molecules was confirmed. The knockout of aiiA gene was performed using the CRISPR-Cas9 system, confirming this gene function. By these results, the influence of QQ system of Bacillus sp. RZ2MS9 during maize colonization and RZ2MS9 - A. brasilense - maize can be better investigated, opens the possibility to better understand the role of QQ system in the interaction among PGPB and plants.
Title in Portuguese
Mecanismos moleculares envolvidos na comunicação bacteriana e na promoção de crescimento de milho
Keywords in Portuguese
Azospirillum brasilense
Bacillus
CRISPR-Cas9
PGPB
Quorum quenching
Abstract in Portuguese
Concomitantemente ao aumento da produção agrícola, há o aumento do uso de fertilizantes minerais, que pode acarretar no desenvolvimento de diferentes problemas ambientais, além de causar a salinização dos solos. Uma possível alternativa para tentar reduzir a aplicação desses produtos é o uso de bactérias promotoras de crescimento de plantas (BPCPs), que podem ser usadas isoladamente ou em co-inoculação com outras bactérias, tornando-as uma alternativa ambientalmente e economicamente viável. Melhores resultados podem ser obtidos se a interação bactéria-bactéria e bactéria-planta for elucidada, permitindo que estratégias sejam desenvolvidas para otimizar essas interações. Em vista disso, a bactéria Bacillus sp. RZ2MS9, previamente descrita como uma potencial BPCP em milho e soja, foi marcada com GFP e monitorada durante a colonização de milho inoculada sozinha, bem como em co-inoculação com Azospirillum brasilense (Ab-v5::pWM1013). A interação dessas linhagens marcadas em milho, foi monitorada por microscopia de fluorescência (FM) e PCR quantitativo (qPCR), revelando um comportamento endofítico de Bacillus sp. RZ2MS9. Em plantas co-inoculadas, apesar da linhagem Ab-v5::pWM1013 não ter sido detectada por qPCR, a co-inoculação resultou no aumento do peso seco das raízes e da parte aérea, no volume e no diâmetro do sistema radicular, demonstrando que a inoculação com mais de uma linhagem bacteriana pode ser uma boa alternativa para o desenvolvimento de bio-fertilizantes. O quorum sensing (QS) é um importante sistema de comunicação célula-célula que permite que as bactérias reconheçam sua própria população e modulem sua expressão gênica. Este sistema também está envolvido na comunicação interespecífica, incluindo outras espécies bacterianas e plantas. Co-evolutivamente, enzimas capazes de detectar e degradar essas moléculas evoluíram, dando origem ao chamado quorum quenching (QQ), sistema que evoluiu em algumas bactérias como uma vantagem competitiva para a colonização de nichos. O gene aiiA, foi um dos primeiros genes relacionados ao sistema QQ descrito no gênero Bacillus, gene este que foi anotado no genoma de RZ2MS9. Através da construção de uma nova linhagem biossensora de QQ, Agrobacterium tumefaciens At11006, e validada através da linhagem A. tumefaciens NTL4, a capacidade de RZ2MS9 de degradar moléculas de QS foi confirmada. O knockout do gene aiiA foi realizado utilizando o sistema CRISPR-Cas9, confirmando a função desse gene. Através dos resultados obtidos neste trabalho, a influência do sistema QQ de Bacillus sp. RZ2MS9 durante a colonização do milho, bem como a interação RZ2MS9 - A. brasilense - milho pode ser melhor investigada, abrindo a possibilidade de uma melhor compreensão do papel do sistema QQ na interação entre bactérias promotoras de crescimento e plantas.
 
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Release Date
2021-01-20
Publishing Date
2019-01-29
 
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