Repositorio
Institucional

Barra, Patricio J.

Viscardi, Sharon

Jorquera, Milko A.

Duran, Paola A.

Valentine, Alexander J.

de la Luz Mora, Maria

Understanding the Strategies to Overcome Phosphorus-Deficiency and Aluminum-Toxicity by Ryegrass Endophytic and Rhizosphere Phosphobacteria

FRONTIERS MEDIA SA

FRONTIERS IN MICROBIOLOGY

en

Phosphobacteria, secreting organic acids and phosphatases, usually favor plant performance in acidic soils by increasing phosphorus (P) availability and aluminum (Al) complexing. However, it is not well-known how P-deficiency and Al-toxicity affect the phosphobacteria physiology. Since P and Al problems often co-occur in acidic soils, we have therefore proposed the evaluation of the single and combined effects of P-deficiency and Al-toxicity on growth, organic acids secretion, malate dehydrogenase (mdh) gene expression, and phosphatase activity of five Al-tolerant phosphobacteria previously isolated from ryegrass. These phosphobacteria were identified as Klebsiella sp. RC3, Stenotrophomona sp. RC5, Klebsiella sp. RCJ4, Serratia sp. RCJ6, and Enterobacter sp. RJAL6. The strains were cultivated in mineral media modified to obtain (i) high P in absence of Al-toxicity, (ii) high P in presence of Al-toxicity, (iii) low P in absence of Al-toxicity, and (iv) low P in presence of Al-toxicity. High and low P were obtained by adding KH2PO4 at final concentration of 1.4 and 0.05mM, respectively. To avoid Al precipitation, AlCl3 x 6H(2)O was previously complexed to citric acid (sole carbon source) in concentrations of 10mM. The secreted organic acids were identified and quantified by HPLC, relative mdh gene expression was determined by qRT-PCR and phosphatase activity was colorimetrically determined using p-nitrophenyl phosphate as substrate. Our results revealed that although a higher secretion of all organic acids was achieved under P-deficiency, the patterns of organic acids secretion were variable and dependent on treatment and strain. The organic acid secretion is exacerbated when Al was added into media, particularly in the form of malic and citric acid. The mdh gene expression was significantly up-regulated by the strains RC3, RC5, and RCJ6 under P-deficiency and Al-toxicity. In general, Al-tolerant phosphobacteria under P deficiency increased both acid and alkaline phosphatase activity with respect to the control, which was deepened when Al was present. The knowledge of this bacterial behavior in vitro is important to understand and predict the behavior of phosphobacteria in vivo. This knowledge is essential to generate smart and efficient biofertilizers, based in Al-tolerant phosphobacteria which could be expansively used in acidic soils.

Las fosfobacterias, que secretan ácidos orgánicos y fosfatasas, suelen favorecer el rendimiento de las plantas en suelos ácidos al aumentar la disponibilidad de fósforo (P) y la formación de complejos de aluminio (Al). Sin embargo, no se conoce bien cómo la deficiencia de P y la toxicidad del Al afectan la fisiología de las fosfobacterias. Dado que los problemas de P y Al a menudo coexisten en suelos ácidos, hemos propuesto la evaluación de los efectos individuales y combinados de la deficiencia de P y la toxicidad del Al en el crecimiento, la secreción de ácidos orgánicos, la expresión del gen de la malato deshidrogenasa (mdh) y la actividad de la fosfatasa de cinco fosfobacterias tolerantes al Al previamente aisladas del raigrás. Estas fosfobacterias se identificaron como Klebsiella sp. RC3, Stenotrophomona sp. RC5, Klebsiella sp. RCJ4, Serratia sp. RCJ6 y Enterobacter sp. RJAL6. Las cepas se cultivaron en medios minerales modificados para obtener (i) alto P en ausencia de toxicidad por Al, (ii) alto P en presencia de toxicidad por Al, (iii) bajo P en ausencia de toxicidad por Al y (iv) bajo P en presencia de toxicidad por Al. Se obtuvieron alto y bajo P añadiendo KH2PO4 a una concentración final de 1,4 y 0,05 mM, respectivamente. Para evitar la precipitación de Al, se acomplejó previamente AlCl3 x 6H(2)O con ácido cítrico (única fuente de carbono) en concentraciones de 10 mM. Los ácidos orgánicos secretados se identificaron y cuantificaron por HPLC, la expresión relativa del gen mdh se determinó por qRT-PCR y la actividad de la fosfatasa se determinó colorimétricamente utilizando p-nitrofenil fosfato como sustrato. Nuestros resultados revelaron que, aunque se logró una mayor secreción de todos los ácidos orgánicos en condiciones de deficiencia de P, los patrones de secreción de ácidos orgánicos fueron variables y dependientes del tratamiento y la cepa. La secreción de ácidos orgánicos se exacerba al añadir Al al medio, particularmente en forma de ácido málico y cítrico. La expresión del gen mdh fue significativamente regulada positivamente por las cepas RC3, RC5 y RCJ6 en condiciones de deficiencia de P y toxicidad por Al. En general, las fosfobacterias tolerantes al Al en condiciones de deficiencia de P aumentaron la actividad de la fosfatasa ácida y alcalina con respecto al control, la cual se profundizó con la presencia de Al. El conocimiento de este comportamiento bacteriano in vitro es importante para comprender y predecir el comportamiento de las fosfobacterias in vivo. Este conocimiento es esencial para generar biofertilizantes inteligentes y eficientes, basados ​​en fosfobacterias tolerantes al Al, que podrían utilizarse ampliamente en suelos ácidos.

Artículo original

Este estudio fue financiado por la Comisión Nacional de Investigación Científica y Tecnológica (CONICYT) del gobierno de Chile a través del Proyecto Postdoctoral FONDECYT No. 3170629, Proyectos Regulares FONDECYT No. 1160302, 1141247 y 1181050. Este estudio también fue financiado por Proyecto REDES ETAPA INICIAL, Convocatoria 2017. REDI170334.

This study was financed by the Comision Nacional de Investigacion Cientifica y Tecnologica (CONICYT) of Chilean government through FONDECYT Postdoctoral Project No. 3170629, FONDECYT Regular Projects No. 1160302, 1141247, and 1181050. This study was also funding by Proyecto REDES ETAPA INICIAL, Convocatoria 2017, REDI170334.

10.3389/fmicb.2018.01155

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phosphobacteria

organic acids

phosphatases

malate dehydrogenase

acid soils

aluminium-toxicity

phosphorus-deficiency

fosfobacterias

ácidos orgánicos

fosfatasas

malato deshidrogenasa

suelos ácidos

toxicidad del aluminio

deficiencia de fósforo

Microbiology

phosphobacteria

organic acids

phosphatases

malate dehydrogenase

acid soils

aluminium-toxicity

phosphorus-deficiency

fosfobacterias

ácidos orgánicos

fosfatasas

malato deshidrogenasa

suelos ácidos

toxicidad del aluminio

deficiencia de fósforo

Biotecnología agrícola

Microbiología

Ciencias del suelo

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WOS:000433884700001

Understanding the Strategies to Overcome Phosphorus-Deficiency and Aluminum-Toxicity by Ryegrass Endophytic and Rhizosphere Phosphobacteria

Artículo original

FRONTIERS MEDIA SA

FRONTIERS IN MICROBIOLOGY

Microbiología

1664-302X

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ANID CONICYT 3170629

ANID CONICYT FONDECYT 1160302

ANID CONICYT FONDECYT 1141247

ANID CONICYT FONDECYT 1181050

REDES ETAPA INICIAL REDI170334

This study was financed by the Comision Nacional de Investigacion Cientifica y Tecnologica (CONICYT) of Chilean government through FONDECYT Postdoctoral Project No. 3170629, FONDECYT Regular Projects No. 1160302, 1141247, and 1181050. This study was also funding by Proyecto REDES ETAPA INICIAL, Convocatoria 2017, REDI170334.

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ANID CONICYT 3170629#ANID CONICYT FONDECYT 1160302#ANID CONICYT FONDECYT 1141247#ANID CONICYT FONDECYT 1181050#REDES ETAPA INICIAL REDI170334