Η καλλιέργεια του βαμβακιού αποτελεί παράδοση και είναι υψίστης σημασίας για την Ελλάδα, την κύρια χώρα βαμβακοκαλλιέργειας στην Ε.Ε.. Όπως κάθε άλλη καλλιέργεια, έτσι και αυτή του βαμβακιού, πλήττεται από πληθώρα βιοτικών και αβιοτικών καταπονήσεων. Αναφορικά με τις βιοτικές καταπονήσεις και ειδικότερα τις ασθένειες, η βερτισιλλίωση που προκαλείται από τον φυτοπαθογόνο μύκητα Verticillium dahliae χαρακτηρίζεται ως η σημαντικότερη για την καλλιέργεια. Ως προς τις αβιοτικές καταπονήσεις, η υψηλή εδαφική αλατότητα αποτελεί γενικότερα έναν εκ των σημαντικότερων προβλημάτων του σύγχρονου πρωτογενούς τομέα. Στις μέρες μας τουλάχιστον το 20% της αρδευόμενης γης παγκοσμίως χαρακτηρίζεται από υψηλή αλατότητα γεγονός που έχει σοβαρότατο αντίκτυπο στην γεωργία. Εφόσον αδυνατούν να ελεγχθούν με χημικά μέσα, τόσο η διαχείριση της βερτισιλλίωσης όσο και της υψηλής εδαφικής αλατότητας βασίζεται στην ορθή εφαρμογή των καλλιεργητικών πρακτικών. Συνεπώς, κρίνεται επιτακτική η ανάγκη διερεύνησης νέων βιώσιμων τρόπων για την διαχείριση της ασθένειας και της υψηλής εδαφικής αλατότητας στην καλλιέργεια του βαμβακιού.
Σκοπός της παρούσας μεταπτυχιακής διατριβής ήταν η αξιολόγηση της κατασταλτικής δράσης εννέα μικροβιακών στελεχών (RAF3, RAF4, RAF7, RAF8, RAF11, RAF18, RAF19, RAF20, RAF22) προερχόμενων από εδάφη υψηλής αλατότητας έναντι του φυτοπαθογόνου μύκητα V. dahliae και της υψηλής εδαφικής αλατότητας σε φυτά βαμβακιού. Η αξιολόγησή τους πραγματοποιήθηκε τόσο μέσω in-vitro όσο και μέσω in-planta βιοδοκιμών σε φυτά βαμβακιού ώστε να διαπιστωθούν η αποτελεσματικότητα και οι πιθανοί μηχανισμοί δράσης των μικροοργανισμών.
Οι in-vitro βιοδοκιμές κατέδειξαν την δυνατότητα όλων των μικροοργανισμών να αναπτύσσονται σε συνθήκες υψηλής αλατότητας. Επιπρόσθετα, σε ορισμένους εξ αυτών διαπιστώθηκε η ικανότητα κίνησης swim–swarm, παραγωγής σιδηροφόρων, παραγωγής ινδολοξικού οξέος, διαλυτοποίησης του φωσφόρου και δημιουργίας ζώνης παρεμπόδισης όταν αυτοί αναπτύσσονταν στο ίδιο τρυβλίο με το παθογόνο. Παρότι εξετάστηκε, σε καμία περίπτωση δεν διαπιστώθηκε ικανότητα παραγωγής χιτινολυτικών ενώσεων.
Οι in-planta βιοδοκιμές κατέδειξαν την ικανότητα επτά στελεχών (RAF7, RAF8, RAF11, RAF18, RAF19, RAF20, RAF22) να μειώνουν σημαντικά τα συμπτώματα της υψηλής εδαφικής αλατότητας και να προωθούν την ανάπτυξη των φυτών (αύξηση του ύψους και/ή του νωπού βάρους, με εξαίρεση το RAF11). Ακόμη, διαπιστώθηκαν τέσσερα στελέχη (RAF18, RAF19, RAF20, RAF22) ικανά να μειώνουν σημαντικά τα συμπτώματα της ασθένειας. Ωστόσο, σε καμία περίπτωση δεν διαπιστώθηκε προώθηση της ανάπτυξης των φυτών έπειτα από την μόλυνση με το παθογόνο. Επιπρόσθετα, το αποτελεσματικότερο στέλεχος των in-planta βιοδοκιμών (RAF19) αξιολογήθηκε ως προς την ικανότητά του να προωθεί την βιοσύνθεση της λιγνίνης στο ριζικό σύστημα φυτών βαμβακιού παρουσία ή απουσία των επιμέρους παραγόντων καταπόνησης. Ωστόσο, σε καμία περίπτωση δεν διαπιστώθηκε σημαντική αύξηση των επιπέδων λιγνίνης στο ριζικό σύστημα των φυτών.
Η αλληλούχιση και η βιοπληροφορική ανάλυση του γονιδιώματος του στελέχους RAF19 κατέδειξαν ότι πρόκειται για το βακτήριο Bacillus thuringiensis. Το συγκεκριμένο είδος είναι ιδιαίτερα δημοφιλές στην βιολογική αντιμετώπιση εντόμων-εχθρών των καλλιεργειών στην πράξη. Ωστόσο, σε ερευνητικό επίπεδο έχει διαπιστωθεί η δράση στελεχών του είδους έναντι της υψηλής αλατότητας και πληθώρας φυτοπαθογόνων μεταξύ των οποίων και ο μύκητας V. dahliae. Αναφορικά με τους μηχανισμούς δράσης του στελέχους RAF19, παρότι στις in-vitro βιοδοκιμές δεν παρουσιάστηκε ικανότητα παραγωγής σιδηροφόρων, η διερεύνηση περιοχών του γονιδιώματος υπεύθυνων για την παραγωγή δευτερογενών μεταβολιτών κατέδειξε την ικανότητα παραγωγής δύο σιδηροφόρων μορίων (petrobactin, bacillibactin). Επιπρόσθετα, διαπιστώθηκε η ικανότητα παραγωγής δύο αντιβιοτικών ενώσεων (cerecidin, zwittermycin A) οι οποίες ενδέχεται να είναι υπεύθυνες για την δημιουργία της ζώνης παρεμπόδισης μεταξύ του βακτηριακού στελέχους και του παθογόνου που διαπιστώθηκε στις in-vitro βιοδοκιμές. Σε κάθε περίπτωση, απαιτείται περαιτέρω διερεύνηση για την πλήρη αποσαφήνιση όλων των εμπλεκόμενων μηχανισμών δράσης του συγκεκριμένου βιολογικού παράγοντα.
Συνοψίζοντας, η παρούσα εργασία καταδεικνύει γενικότερα την δυναμικότητα των μικροοργανισμών προερχόμενων από οικοσυστήματα με υψηλή αλατότητα έναντι βιοτικών και αβιοτικών καταπονήσεων. Ωστόσο, περαιτέρω πειράματα απαιτούνται προκειμένου να διαπιστωθούν οι μηχανισμοί δράσης και η αποτελεσματικότητα των βιολογικών παραγόντων στην πράξη.
Cotton cultivation has a long tradition and is of paramount importance for Greece, the leading cotton producing country in the European Union. Like all agricultural crops, cotton is affected by a variety of biotic and abiotic stresses. Among the biotic stresses, particularly plant diseases, Verticillium wilt, caused by the phytopathogenic fungi Verticillium dahliae, is considered the most critical threat to cotton production. Regarding abiotic stresses, soil salinity represents one of the most significant challenges in modern agricultural production. Currently, at least 20% of the world's irrigated land is affected by high salinity, with serious implications for global agriculture. Since chemical control methods are ineffective, the management of both V. dahliae and soil salinity relies on the appropriate implementation of agronomic practices. Therefore, it is imperative to explore sustainable strategies to mitigate the effects of Verticillium wilt and soil salinity in cotton cultivation.
This study aimed to evaluate the suppressive effect of nine microbial strains (RAF3, RAF4, RAF7, RAF8, RAF11, RAF18, RAF19, RAF20, RAF22), isolated from saline soils, against V. dahliae and soil salinity in cotton plants. Their efficacy was assessed through both in-vitro and in-planta bioassays to determine their effectiveness and potential modes of action.
The in-vitro bioassays demonstrated that all microbial strains were capable of growing under high salinity conditions. Furthermore, certain strains exhibited swim-swarm motility, siderophore production, indoleacetic acid biosynthesis, phosphorus solubilization and inhibition zone formation in dual-culture assays with the pathogen. However, none of the tested strains showed the ability to produce chitinolytic compounds.
The in-planta bioassays showed that seven strains (RAF7, RAF8, RAF11, RAF18, RAF19, RAF20, RAF22) significantly alleviated the symptoms due to increased soil salinity and promoted plant growth (increase in height and/or fresh weight, except RAF11). Additionally, four strains (RAF18, RAF19, RAF20, RAF22) were found to significantly reduce disease symptoms. However, no strain was found to enhance plant growth following pathogen infection. Moreover, the most effective strain of the in-planta bioassays (RAF19) was further evaluated for its ability to promote lignin biosynthesis in the root system of cotton plants in the presence or absence of each stress factor. Nevertheless, no significant increase in lignin levels was observed in any case.
Genomic sequencing and bioinformatic analysis identified strain RAF19 as Bacillus thuringiensis, a bacterium widely used in biological control of insect pests under field conditions. However, research has also demonstrated the ability of certain B. thuringiensis strains to confer tolerance to high salinity and suppress various phytopathogens, including V. dahliae. Regarding the mode of action of strain RAF19, although no siderophore production was observed in the in-vitro bioassays, the study of genome regions associated with the production of secondary metabolites revealed the presence of biosynthetic gene clusters responsible for the biosynthesis of two siderophores (petrobactin, bacillibactin). Additionally, the strain was found to produce two antibiotic compounds (cerecidin, zwittermycin A), which may be responsible for the inhibition zone observed between the bacterial strain and the pathogen in-vitro. However, further studies are required to fully elucidate all the mechanisms of action associated with this biological control agent.
In conclusion, this study highlights the potential of microbial strains isolated from saline ecosystems in mitigating both biotic and abiotic stresses. However, additional experiments are needed to determine their mechanisms of action and efficacy under field conditions.
