Actinobacteria in extreme environments: diversity and plant growth promotion for mitigation of abiotic stresses in tomato

แอกติโนแบคทีเรียในสิ่งแวดล้อมแบบสุดขั้ว:ความหลากหลาย และการส่งเสริมการเจริญเติบโตของพืชเพื่อบรรเทาความเครียดอชีวนะในมะเขือเทศ

Name: Pharada Rangseekaew

LCSH: Actinobacteria

LCSH: Extreme Environment

LCSH: Growth (Plants)

LCSH: Tomatoes

Abstract: Extreme environments contain unfavorable conditions for survival of most microorganisms such as high salinity and drought. These environments are attractive for searching beneficial microorganisms including actinobacteria with adaptive mechanisms and ability to produce metabolites or enzyme that can work in extreme environments and can be applied in biotechnology and agriculture. Therefore, our research focused on actinobacteria from limestone habitats (karst, cave, and limestone quarry) and deep-sea sediments as representatives of terrestrial and marine extreme habitats, respectively. Diversity of actinobacteria was investigated in six limestone habitats in northern Thailand. Soil, dripping water and cotton swab samples were collected to isolate actinobacteria. Samples were pretreated with microwave irradiation prior to isolation on five selective media (humic acid vitamin agar, raffinose-histidine agar, R2A agar, starch casein agar, and water proline agar). A total of 133 actinobacteria were isolated from five limestone habitats with the highest number of actinobacteria was obtained from karst landscape (Forest industry organization, Lampang province). The dominant actinobacteria from all habitats were members of rare actinobacteria. For identification at genus level, Chiang Dao cave showed the highest number of actinobacterial genera (8 genera) followed by Muang-on cave (6 genera), Forest industry organization (4 genera), Thampla cave (2 genera) and quarry area of The Siam cement public company limited (2 genera). This is the first report on isolation of the following genera Epidermidibacterium and Promicromonospora (Chiang Dao cave), Mycolicibacterium and Sinomonas (Muang-on cave), Rugosimonospora (Forest industry organization), and Mycolicibacterium (limestone quarry). Phylogenetic analysis of 16S rRNA gene sequence data revealed that 24.1% of actinobacteria may represent novel species. All actinobacteria were evaluated for three plant growth promoting properties (total indole and siderophore production and phosphate solubilization), and drought tolerance ability. One- hundred and six isolates (79.7%) showed at least one plant growth promoting ability. Among 133 isolates, 80 isolates (60.1%) produced total indole in a range of 0.09- 146.94 µg mL-1. For siderophore production, 72 isolates (54.1%) produced 3.82-1014.17 µmol L-1 of hydroxamate siderophore and 66 isolates (49.6%) produced catecholate siderophore between 1.40-274.33 µmol L-1. Fifteen isolates of actinobacteria could solubilize phosphate and released phosphorus in culture broth in a range of 73.78-104.38 µg mL-1. Two drought- tolerant, ACC deaminase producing actinobacteria, Streptomyces sp. isolate MC1-2 and Tsukamurella sp. isolate MC5-5 were selected to investigate their potential for tomato growth promotion under normal and drought conditions in greenhouse condition. At the end of experiment, Streptomyces sp. MC1-2 showed the best performance as it increased the yield of tomato fruits two folds higher than non-inoculated tomatoes, increased shoot length, dry weight, root dry weight, total chlorophyll, and carotenoids and decreased hydrogen peroxide content of tomato leaves under drought. In addition, the inoculation of actinobacteria did not affect vitamin C content and total antioxidants of tomato fruits grown under normal condition. Deep-sea actinobacteria, namely D. abyssi MT1.1T, D. barathri MT2.1T, and D. profundi MT2.2T were evaluated for their plant growth promoting traits and potential to promote the growth of tomato seedlings under 150 mM NaCl. All deep-sea Dermacoccus species exhibited in vitro production of indole-3-acetic acid (IAA), siderophores and phosphate solubilization. The inoculation D. abyssi MT1.1T or D. barathri MT2.1T improved dry weight and chlorophyll content along with a decreased in hydrogen peroxide content of tomato under salt stress. Notably, D. abyssi MT1.1T had ability to colonize tomato roots. Whole genome analysis revealed protein coding sequences involved in plant growth promoting traits and genes related to salt stress mitigation mechanisms. In addition, biosafety of deep-sea Dermacoccusstrains on the representative organisms in environments were evaluated. Different biosafety level of each deep-sea strain was observed. However, D. abyssi MT1.1T and D. barathri MT2.1T would be safe for use in environments. In conclusion, limestone habitats are a rich source of diverse actinobacteria with plant growth promoting abilities. Plant beneficial strains of actinobacteria from both terrestrial (limestone habitats), and marine (deep-sea sediments) extreme environments are able to mitigate drought or salinity stress in tomato which is an environmental friendly approach for sustainable agriculture.

Abstract: สิ่งแวดล้อมแบบสุดขั้วประกอบด้วยสภาวะที่ไม่เอื้ออำนวย สำหรับการอยู่รอดของจุลินทรีย์ ส่วนใหญ่ เช่นความเค็มสูง และความแห้งแล้ง สิ่งแวดล้อมเหล่านี้น่าสนใจในการค้นหาจุลินทรีย์ที่เป็น ประโยชน์ รวมถึงแอกติโนแบคทีเรียที่มีกลไกการปรับตัว และความสามารถในการผลิตสารเมแทบอ ไลต์ หรือเอนไซม์ที่ทำงานได้ในสิ่งแวดล้อมแบบสุดขั้ว และสามารถนำมาประยุกต์ใช้ใน เทคโนโลยีชีวภาพ และการเกษตร ดังนั้นงานวิจัยนี้มุ่งศึกษาแอกติโนแบกทีเรียในแหล่งที่อยู่หินปูน (คาสต์ ถ้ำ และเหมืองหินปูน) และตะกอนดินจากใต้ทะเลลึก ซึ่งเป็นตัวแทนสิ่งแวดล้อมแบบสุดขั้ว บนบก และในทะเล ศึกษาความหลากหลายของแอกติโนแบคทีเรียในแหล่งที่อยู่หินปูนในภาคเหนือ ของประเทศไทยจำนวน 6 แหล่ง โดยทำการเก็บตัวอย่างดิน น้ำหยด และ ตัวอย่างพื้นผิวภายในถ้ำ ตัวอย่างถูกปรับสภาพด้วยไมโครเวฟก่อนแยกเชื้อแอกติโนแบคที่เรียบนอาหารจำเพาะจำนวน 5 ชนิด (humic acid vitamin agar raffinose-histidine agar R2A agar starch casein agar และ water proline agar) พบว่าสามารถแยกแอกติโนแบคทีเรียได้จำนวน 133 ไอโซเลตจาก 5 แหล่ง โดยสามารถแยก เชื้อได้จำนวนมากที่สุดจากตัวอย่างคาสต์ (องค์การอุตสาหกรรมป่าไม้ จังหวัดลำปาง) แอกติโน แบคทีเรียที่แยกได้ส่วนใหญ่เป็นแอกติโนแบคที่เรียหายาก (rare actinobacteria) การบ่งชี้สกุลของแอก ติโนแบคที่เรียที่แยกได้พบว่า ถ้ำเชียงดาวมีจำนวนสกุลของแอกติโนแบคที่เรียมากที่สุด (8 สกุล) รองลงมาคือ ถ้ำเมืองออน (6 สกุล) องค์การอุตสาหกรรมป่าไม้ (4 สกุล) ถ้ำปลา (2 สกุล) และ บริเวณ เหมืองหินปูนของบริษัทปูนซีเมนต์ไทยจำกัด มหาชน (2 สกุล) ตามลำดับ งานวิจัยนี้พบแอกติโน แบคที่เรียหลายสกุลที่ยังไม่มีรายงานการแยกจากแหล่งที่อยู่หินปูน ได้แก่ Epidermidibacterium และ Promicromonospora (ถ้ำเชียงดาว) Mycolicibacterium และ Sinomonas (ถ้ำเมืองออน) Rugosimonospora (องค์การอุตสาหกรรมป่าไม้) และ Mycolicibacterium (เหมืองหินปูน) และจาก การวิเคราะห์ความสัมพันธ์ทางวิวัฒนาการด้วยยืน 16S rRNA พบว่าแอกติโนแบคที่เรียจำนวน 24.1% มีแนวโน้มเป็นเชื้อในสปีชีส์ใหม่ นำแอกติโนแบคที่เรียทั้งหมดที่แยกได้จากแหล่งที่อยู่หินปูนมา ทดสอบความสามารถในการสร้างสารส่งสริมการเจริญเติบ โตของพืช (การผลิตอินโดล และ ไซเดอร์ โรฟอร์ และการย่อยสลายฟอสเฟต นอกจากนี้ยังทดสอบความสามารถในการทนทานต่อความแห้ง แล้ง พบว่าแอกติโนแบคทีเรียจำนวน 106 ไอโซเลต (79.7% มีความสามารถในการสร้างสารส่งเสริม การเจริญเติบโตของพืชได้อย่างน้อย 1 ชนิด จากแอกติโนแบคทีเรียจำนวน 133 ไอโซเลต พบว่า 80 ไอ โซเลต (60.1% มีความสามารถในการสร้างสารอินโดล ปริมาณ 0.09-146.94 ไมโครกรัม/มิลลิลิตร จำนวน 72 ไอโซเลท (54.1%) สามารถสร้างสารไซเดอร์ฟอร์ชนิด hydroxamate ได้ในปริมาณ 3.82- 1014.17 ไมโครโมล/ มิลลิลิตร และจำนวน 66 ไอโซเลท (49.6% สามารถผลิตสารไซเดอร์ โรฟอร์ ชนิด catecholate ได้ในปริมาณ 1.40-274.33 ไมโครโมล/มิลลิลิตร แอกติโนแบคทีเรียจำนวน 15 ไอโซ เลต มีความสามารถในการย่อยสลายฟอสเฟต และปลดปล่อยฟอสฟอรัสในอาหารเหลว ในปริมาณ 73.78-104.38 ไมโครกรัม/มิลลิลิตร แอกติโนแบกที่เรียทนแล้ง จำนวน 2 ไอโซเลท ที่สามารถผลิต เอนไซม์ ACC deaminase ได้แก่ Streptomyces sp. ไอโซเลท MC1-2 และ Tsukamurella sp. ไอโซเลท MC5-5 ถูกคัดเลือกมาใช้ในการส่งเสริมการเจริญเติบโตของต้นมะเขือเทศ ภายใต้สภาวะปกติ และ สภาวะแล้งในระดับโรงเรือน จากผลการศึกษาพบว่า Streptomyces sp. ไอ โซเลต MC1-2 มี ประสิทธิภาพสูงที่สุดในการส่งเสริมการเจริญเติบโตของต้นมะเขือเทศ โดยทำให้ปริมาณผลผลิตเพิ่มขึ้นสองเท่า ความสูงของลำต้น น้ำหนักแห้ง น้ำหนักแห้งราก ปริมาณคลอโรฟิลล์ และแคโรทีนอยด์เพิ่มสูงขึ้น และช่วยลดปริมาณไฮโครเจนเปอร์ออกไซค์ใน ใบของต้นมะเขือเทศภายใต้สภาวะแล้ง นอกจากนี้ยังพบว่าการเติมเชื้อแอกติโนแบคที่เรียในต้นมะเขือเทศไม่มีผลต่อปริมาณวิตามินซี และสารต้านอนุมูลอิสระในผลมะเขือเทศในสภาวะปกติ แอกติโนแบคที่เรียจากทะเลลึกสายพันธุ์ D. abyssi MT1.1T D. barathri MT2.1T , และ D. profundi MT2.2T ได้ถูกนำมาทดสอบคุณสมบัติในการสร้างสารส่งสริมการเจริญเติบโตของพืช และ ศักยภาพในการส่งเสริมการเจริญเติบโตของต้นอ่อนมะเขือเทศ ภายใต้สภาวะเครียดเกลือที่ความ เข้มข้น 150 มิลลิโมลาร์ จากการศึกษาพบว่าทั้งสามสายพันธุ์มีความสามารถในการผลิตอินโดล-3-อะ ซิติกแอซิด (IAA) ไซเดอร์โรฟอร์ และย่อยสลายฟอสเฟต และแอกติโนแบคทีเรียสายพันธุ์ D. abyssi MT1.1T และ D. barathri MT2.1T ช่วยเพิ่มน้ำหนักแห้ง และปริมาณคลอโรฟิลล์ในใบมะเขือเทศ และ ช่วยลดปริมาณ ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ในใบมะเขือเทศ นอกจากนี้แอกติโนแบคทีเรียสายพันธ์ D. g abyssi MT1.1T มีความสามรถในการอยู่ร่วมกับรากของต้นมะเขือเทศ จากการวิเคราะห์ลำดับเบส ทั้งหมด (whole genome sequence) ของ D. abyssi MT1.1T พบว่าจีโนมประกอบไปด้วยยืนที่เกี่ยวข้อง กับโปรตีนที่ใช้ในการสร้างสารส่งเสริมการเจริญเติบโตของพืช และยีนที่เกี่ยวข้องในการลด ความเครียดเกลือ การทดสอบความปลอดภัยของเชื้อแอกติโนแบคที่เรียจากทะเลลึกต่อตัวแทน สิ่งมีชีวิตในสิ่งแวดล้อม พบว่ามีความปลอดภัยในระดับที่แตกต่างกัน โดยสายพันธุ์ D. abyssi MT1.1T และ D. barathri MT2.1T มีความปลอดภัยในระดับที่สามารถนำไปใช้ในสิ่งแวดล้อมได้ โดยสรุปจาก การศึกษาในครั้งนี้พบว่าแหล่งที่อยู่หินปูนเป็นแหล่งที่มีความหลากหลายของแอกติโนแบคทีเรียสูง และแอกติโนแบคที่เรียเหล่านี้มีความสามารถในการส่งเสริมการเจริญเติบโตของพืช นอกจากนี้แอกติ โนแบคทีเรียสายพันธุ์ที่เป็นมิตรต่อพืชจากระบบนิเวสน์แบบสุดขั้วทั้งบนบก (แหล่งที่อยู่หินปูน) และ ในทะเล (ตะกอนดินใต้ทะเลลึก) สามารถช่วยลดความเครียดแล้ง และความเค็มในมะเขือเทศ ซึ่งเป็น วิธีที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และมีศักยภาพในการนำไปใช้ในการจัดการเกษตรแบบยั่งยืน

Chiang Mai University. Library

Address: CHIANG MAI

Email: cmulibref@cmu.ac.th

Name: Wasu Pathom-aree

Role: Advisor

Name: Saisamorn Lumyong

Role: Advisor

Name: Jeeraporn Pekkoh

Role: Advisor

Created: 2566

Modified: 2023-07-11

Issued: 2023-07-11

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

eng

DegreeName: Doctor of Philosophy

Level: Doctoral Degree

Descipline: Applied Microbiology

Grantor: Chiang Mai University

©copyrights Chiang Mai University

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	610555941.pdf	10.82 MB	4	2024-11-21 22:58:13

ใช้เวลา

0.045867 วินาที