Caracterització de metabòlits produïts per soques de "Pseudomonas fluorescens" efectives en el control biològic de fongs fitopatògens

Abstract

El principal objectiu d'aquest treball ha estat estudiar la producció de metabòlits amb activitat antibiòtica per soques de l'espècie Pseudomonas fluorescens de la col·lecció EPS, i també avaluar la seva potencialitat com a agents de biocontrol. Es va disposar també de diverses soques de P. fluorescens, cedides per altres investigadors, que van utilitzar-se com a referència perquè algunes són actives en control biològic i produeixen metabòlits secundaris d'interès en el biocontrol de malalties de plantes. La present memòria s'estructura en cinc capítols, que són, introducció al control biològic, descripció de l'etapa de selecció de soques i cerca dels metabòlits produïts, estudi de la producció d'HCN per la soca EPS288, estudi de la producció de l'antibiòtic 2,4-diacetilfloroglucinol (DAPG), i finalment, el darrer capítol, on s'ha estudiat la producció de DAPG sobre material vegetal i la capacitat de colonitzar arrels per diverses soques d'interès. En l'etapa de prospecció, va demostrar-se que un 37% del total de les soques de la col·lecció EPS produïen HCN, totes de l'espècie P. fluorescens, i un 90% d'aquestes provenien de les arrels de plantes. Es va confirmar la producció dels metabòlits secundaris 2,4-diacetilfloroglucinol, àcid fenazina-1-carboxílic, i pirrolnitrina, per diverses soques de la col·lecció EPS seleccionades mitjançant tècniques moleculars. Així, de la col·lecció EPS, les soques EPS317 i EPS808 produeixen DAPG, la EPS263 àcid fenazina-1-carboxílic i pirrolnitrina i, EPS894, EPS895, EPS945 produeixen àcid fenazina-1-carboxílic. La producció d'HCN es va estudiar més exhaustivament en la soca EPS288, seleccionada per la seva activitat antifúngica i candidata a agent de biocontrol contra Stemphylium vesicarium, causant de la estemfiliosi de la perera, i contra Penicillium expansum, causant de la podridura blava en conservació de fruita a postcollita. Per aquest estudi, es va dissenyar i validar un sistema per recollir l'HCN a partir de cultius en medi líquid. S'ha demostrat que la temperatura d'incubació, la concentració cel·lular de sembra i la composició del medi de cultiu afectaven a la producció d'HCN. Els medis complexos i la glicina n'afavorien la síntesi i la font de carboni no afectava. La soca EPS288 va produir més HCN que P. fluorescens CHA0, soca de referència productora d'HCN i descrita com a activa en processos de biocontrol de fongs fitopatògens. En l'estudi de la producció de DAPG, les soques de la col·lecció EPS i de referència, es van comparar en diversos medis de cultiu estudiant l'efecte de la complexitat i consistència del medi, i l'addició de ferro o de glucosa. Va demostrar-se que la producció de DAPG depèn principalment de la soca i de les característiques del medi de cultiu. La glucosa estimula la producció, mentre que el ferro pràcticament no afecta, i en general, el medi sòlid i complex estimula la producció de DAPG. Tanmateix, aquests efectes varien en alguna de les soques assajades donant lloc a comportaments singulars. En el seguiment del creixement amb un sistema automàtic es va comprovar que la velocitat específica de creixement i la concentració cel·lular assolida al final del cultiu, estaven condicionades per la composició del medi de cultiu. En les proves d'antagonisme vers fitopatògens que foren seleccionats com a indicadors, va observar-se que tant l'antagonisme in vitro com la inhibició d'infeccions sobre material vegetal estaven parcialment relacionades amb la producció dels metabòlits secundaris estudiats. La promoció del creixement de portaempelts per aquestes soques depenia de la soca i de l'hoste, però no es pogué establir una relació causa-efecte amb el metabòlits produïts. També es va comprovar que algunes de les soques podien sobreviure en ferides de pomes i de peres, on produïren DAPG. Mutants resistents a rifampicina de diverses soques de la col·lecció EPS i de referència es van inocular en llavors de pomera i de tomatera que es van sembrar i incubar en condicions controlades. Es va fer el seguiment de la població bacteriana total i resistent a rifampicina present a les arrels durant 72 dies. Totes les soques van colonitzar les arrels de les plantes, mantenint una elevada població durant 37 dies, cap d'elles va estimular el creixement ni mostrar efectes fitotòxics, no afectant tampoc signicativament a la població bacteriana espontània de les arrels. La soca EPS808, una de les seleccionades pel treball, va aconseguir uns nivells de producció de DAPG, una velocitat de creixement i una supervivència relativa a les arrels similar a altres soques de referència descrites com a bons agents de biocontrol. En conseqüència, se la considera una candidata a agent de biocontrol que hauria de ser objecte de futurs estudis d'eficàcia.

El principal objetivo de este trabajo ha sido estudiar la producción de metabolitos con actividad antibiótica por cepas de la especie Pseudomonas fluorescens de la colección EPS, y también evaluar su potencialidad como agentes de biocontrol. Se dispuso de varias cepas de P. fluorescens, cedidas por otros investigadores, que se utilizaron como referencia ya que algunas de estas son activas en el control biológico, y producen metabolitos secundarios de interés para el biocontrol de enfermedades de plantas. La presente memoria se estructura en cinco capítulos, revisión bibliográfica del control biológico, descripción de la etapa de selección de cepas y de los metabolitos producidos, estudio de la producción de HCN por la cepa EPS288, estudio de la producción de 2,4-diacetilfloroglucinol(DAPG), y finalmente, el último capítulo, donde se ha estudiado la producción de DAPG sobre material vegetal y la capacidad de colonizar las raíces de diversas plantas. En la etapa de prospección se demostró que el 37% del total de las cepas de la colección EPS producían HCN, todas ellas de la especie P. fluorescens, de las cuales el 90% había sido aislada de las raíces de plantas. Se confirmó la producción de los metabolitos secundarios 2,4-diacetilfloroglucinol, ácido fenazina-1-carboxílico y pirrolnitrina, por diversas cepas de la colección EPS seleccionadas mediante técnicas moleculares. De la colección EPS las cepas EPS317 y EPS808 producen DAPG, la EPS263 ácido fenazina-1-carboxílico y pirrolnitrina y las cepas EPS894, EPS895 y EPS945 producen ácido fenazina-1-carboxílico. La producción de HCN se estudió en detalle por la cepa EPS288, esta había sido seleccionada por su actividad antifúngica y es candidata a agente de biocontrol contra Stemphylium vesicarium, causante de la estemfiliosis del peral, y contra Penicillium expansum, causante de la enfermedad del moho azul en la conservación de la fruta en poscosecha. Para este estudio se diseñó y se validó un sistema para la recogida del HCN que se desprende de cultivos en medio líquido. La temperatura de incubación, la concentración en la siembra y la composición del medio de cultivo afectaban a la producción de HCN. Los medios de cultivo complejos y la glicina estimulaban su síntesis, mientras que la fuente de carbono no afectaba. La cepa EPS288 produjo más HCN que la P. fluorescens CHA0, cepa de referencia productora de HCN y descrita como activa en procesos de control biológico de hongos fitopatógenos. En el estudio de la producción de DAPG, las cepas de la colección EPS y de referencia, se compararon en diferentes medios de cultivo estudiando el efecto de la complejidad y la consistencia del medio de cultivo, y de la adición de hierro o de glucosa. Se demostró que la producción de DAPG depende principalmente de la cepa y de la composición del medio de cultivo. La glucosa estimula la producción, mientras que el hierro casi no tiene efecto. Sin embargo, estos efectos varían en alguna de las cepas ensayadas dando lugar a comportamientos singulares. El seguimiento del crecimiento mediante un sistema automático permitió verificar que la velocidad específica de crecimiento y la concentración celular en la fase estacionaria estaban condicionadas por la composición del medio de cultivo. En las pruebas de antagonismo frente a hongos fitopatógenos seleccionados como indicadores, se observó que el antagonismo in vitro y la inhibición de infecciones sobre material vegetal correlacionaban parcialmente con la producción de los metabolitos secundarios estudiados. La promoción del crecimiento de portainjertos con esas cepas era función del huésped y de la cepa. Se comprobó que algunas de las cepas sobrevivían en heridas de manzanas y de peras dónde sintetizaban DAPG. Mutantes resistentes a rifampicina de diversas cepas de la colección EPS y de referencia se inocularon en semillas de manzano y de tomate las cuales se sembraron e incubaron en ambiente controlado. La población bacteriana en las raíces de las plantas se monitorizó durante un periodo de 72 días. Todas las cepas colonizaron las raíces de las plantas manteniendo una elevada población durante, al menos, 37 días. Ninguna de la cepas estimuló el crecimiento ni mostró fitotoxicidad, y no afectaron significativamente a la población bacteriana espontánea de las raíces. La cepa EPS808, una de las seleccionadas para el presente trabajo, demostró una producción de DAPG, velocidad específica de crecimiento y una supervivencia relativa en las raíces, similares a otras cepas de referencia descritas como buenos agentes de biocontrol. Por lo tanto, se considera a esta cepa como una candidata a agente de biocontrol, que tendría que ser objeto de futuros estudios de eficacia.

The main objective of this work is to study the production of biologically active secondary metabolites produced by Pseudomonas fluorescens strains from EPS collection. Moreover, their potential as biocontrol agents was also evaluated. We used P. fluorescens strains, provided by foreign scientists, that were utilised as a reference because these strains are active as biocontrol agents and produce secondary metabolites involved in biological control. The present work is divided into five chapters which deal with an introduction to biological control, the selection of strains, the detection and identification of metabolites produced by these bacteria, the study of HCN production by EPS288 strain, the study of 2,4-diacetylphloroglucinol (DAPG) production, and finally, the DAPG production based on fruits and plants, and root colonisation by selected strains. It was shown that 37% of isolates in EPS collection produced cyanide, all were P. fluorescens, and 90% of them were isolated at roots of different plants. The secondary metabolites 2,4-diacetilphloroglucinol (DAPG), phenazine-1-carboxilic acid (PCA) and pyrrolnitrin were identified and its production by some EPS collection strains, selected with molecular techniques, was demonstrated. The strains EPS317 and EPS808 produce DAPG, EPS263 produces phenazine-1-carboxilic acid and pyrrolnitrin, and the strains EPS894, EPS895, EPS945 produce phenazine-1-carboxilic acid. The production of cyanide acid by P. fluorescens EPS288 was studied more exhaustively. This strain was selected as a biocontrol agent due to its antifungal activity against Stemphylium vesicarium, that causes brown spot on pear, and Penicillium expansum, that causes the blue mould of fruits during postharvest. A device to collect cyanide produced by bacteria from broth cultures was set up and validated. The incubation temperature, the initial cell density and the composition of growth media clearly affected HCN production by EPS288 strain. Complex media and glycine stimulated HCN production, however, it was not affected by carbon source in defined growth media. The EPS288 strain produced more cyanide in Castric growth media than P. fluorescens CHA0, a reference strain employed in biological control of fungal pathogens. The reference strains and those from EPS collection which produced DAPG were compared considering the factors complexity and consistence of growth media. The effect of iron and glucose addition were also evaluated. The strain and growth media characteristics were the predominant factors in the DAPG production. Glucose increased DAPG production, while iron addition had no considerable effect, and as general rule, solid and complex media stimulated DAPG production. However these effects are variable depending on the strain. The monitoring of bacterial growth and DAPG production with an automated absorbance reader showed that the growth rate and cellular yield were affected by growth media. In antagonism tests against selected fungal pathogens, the in vitro inhibition and inhibition of infections over organic material were, in part, correlated with secondary metabolite production. The rootstock growth promotion caused by some of these strains was dependent on the strain and the host, but a cause-effect relationship with antibiotics produced could not be clearly established. Some strains were able to colonise and produce DAPG in wounds on apples and pears. Rifampicine resistant spontaneous mutants of the reference and of EPS collection strains were isolated and inoculated on apple and tomato seeds, which were sown and grown under a controlled conditions. The evolution of inoculated strains and the whole bacterial population at the roots were monitored during 72 days. All selected strains efficiently colonised plant roots at high levels for at least 37 days, and nor phytotoxic either plant growth promotion was observed by any strain. Moreover, they did not significantly affected the spontaneous bacterial population at roots. The EPS808 strain exhibited a 2,4-diacetilphloroglucinol production level, a specific growth rate and a relative root population as high as the reference strains that are referenced to be good biocontrol agents. Thus we conclude that this strain can be considered as a candidate for biological control agent, but further efficacy studies are required.