Biotechnological potential of growth-promoting bacteria and microbial metabolites in soybean crop

Abstract

A adoção de sistemas de produção mais sustentáveis aumentaram consideravelmente nos últimos anos, impulsionados principalmente pela demanda da sociedade por alimentos com alta qualidade, cuja produção resulta em baixos impactos ambientais. Uma ampla gama de efeitos benéficos por bactérias é relatada na cultura da soja (Glycine max [L.] Merrill), incluindo a fixação biológica de nitrogênio (FBN), o biocontrole de patógenos, o desenvolvimento e crescimento, e a produção de compostos como lipo-chitooligossacarídeos (LCOs), ativando vários mecanismos fisiológicos e bioquímicos. Inoculantes rizobianos e bactérias promotoras de crescimento de plantas (BPCP) têm sido amplamente aplicados como biofertilizantes em cultivos de leguminosas, mas as respostas das plantas à consórcios com outros microrganismos benéficos e metabólitos microbianos secundários ainda não são bem explorados. Portanto, neste estudo avaliamos os efeitos da coinoculação por fixadores de N2 - Bradyrhizobium japonicum (estirpe SEMIA 5079) e Bradyrhizobium diazoefficiens (estipe SEMIA 5080), com ou sem aplicação foliar do promotor de crescimento de plantas - Azospirillum brasilense (estipes Ab-V5 e Ab -V6), e o agente de biocontrole - Bacillus subtilis (estirpe QST 713), e com ou sem tratamento de sementes com metabólitos microbianos secundários (MMS, metabólitos rizobianos enriquecidos em lipo-chitooligossacarídeos (LCOs)) na soja durante duas safras em condições de casa de vegetação, e três safras sob condições de campo tropical com curto período de estiagem na Fazenda Experimental Lageado da Universidade Estadual Paulista (UNESP), Botucatu, Estado de São Paulo, Brasil. Neste estudo, avaliamos o desenvolvimento do sistema radicular (por método direto - leitura óptica e método indireto - aplicação de nitrato de rubídio, 85RbNO3), estado nutricional, N-ureídeos, pigmentos fotossintéticos, trocas gasosas, atividades de enzimas antioxidantes, teor de prolina, nodulação, desenvolvimento e crescimento das plantas, índice de eficiência agronômica, rendimento e qualidade de grãos de soja. O consórcio bacteriano benéfico compreendendo Bradyrhizobium spp. e A. brasilense combinado com aplicação de MMS auxiliam no alívio do estresse hídrico da soja em condições de campo, garantindo nodulação, teor de N-ureídeos, desenvolvimento radicular e da parte aérea, melhora a atividade fotossintética da planta e a produção de fotoassimilados e, por fim, o enchimento dos grãos. Tomados em conjunto, os resultados representam uma estratégia biotecnológica importante para alcançar a produção e segurança alimentar sustentável

The adoption of sustainable production systems has increased considerably in recent years, driven mainly by societal demand for the production of high-quality food under low environmental impact. For soybean (Glycine max [L.] Merrill), a broad range of beneficial effects of bacteria have been reported, including biological nitrogen fixation (BNF), plant pathogen biocontrol, plant growth development, and the production of compounds such as lipochitooligosaccharides (LCOs), which activate several physiological and biochemical mechanisms. Rhizobial inoculants and plant growth-promoting bacteria (PGPB) have been widely applied as biofertilizers to legume crops, but plant responses to consortia of other beneficial microbes and microbial molecules have not been comprehensively explored. Therefore, in this study we evaluated the effects of co-inoculating N2-fixing Bradyrhizobium japonicum (strain SEMIA 5079) and Bradyrhizobium diazoefficiens (strain SEMIA 5080) with or without foliar application of plant growth-promoting Azospirillum brasilense (strains Ab-V5 and Ab-V6) and the biocontrol agent Bacillus subtilis (strain QST 713) and seed treatment with microbial secondary metabolites (MSM, rhizobial metabolites enriched in LCOs) on soybean. Experiments were conducted during two growing seasons under greenhouse conditions and three growing seasons under tropical field conditions with a short dry spell at the Lageado Experimental Farm of São Paulo State University (UNESP), Botucatu, São Paulo State, Brazil. We evaluated root system development (directly by optical reading and indirectly by applying rubidium nitrate, 85RbNO3), nutritional status, N-ureides, photosynthetic pigments, gas exchange parameters, antioxidant enzyme activities, proline, nodulation, plant growth development, agronomic efficiency index, and soybean grain yield and quality. Combining the beneficial bacterial consortium comprising Bradyrhizobium spp. and A. brasilense strains with MSM application helped alleviate soybean water stress under field conditions, promoting nodulation, N-ureide content, root and shoot development, photosynthetic activity, the production of photoassimilates and, ultimately, grain filling. Taken together, the results suggest that this combination is an important biotechnological strategy to achieve sustainable food production and security.