Diversità e potenziale crescita delle piante che promuovono la capacità dei batteri endofiti dei semi dell'oloparassita Cistanche phelypaea (Orobanchaceae)

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 11835 (2023) Citare questo articolo

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Le paludi salmastre sono ecosistemi altamente dinamici e biologicamente diversi con un'ampia gamma di funzioni ecologiche. Abbiamo studiato la comunità batterica endofitica dei semi sterilizzati in superficie dell'oloparassita Cistanche phelypaea che cresce nelle paludi salmastre costiere della penisola iberica in Portogallo. C. phelypaea è l'unico rappresentante del genere Cistanche segnalato in tale habitat. Utilizzando metodi di sequenziamento ad alto rendimento, sono stati trovati 23 phyla batterici e 263 diverse OTU a livello di genere. Erano dominanti i ceppi batterici appartenenti ai phyla Proteobacteria e Actinobacteriota. Anche alcuni phyla batterici recentemente classificati o non scoperti, gruppi tassonomici non classificati e inesplorati e gruppi simbiotici di Archaea abitavano i semi di C. phelypaea. I γ-proteobatteri erano il gruppo filogenetico più diversificato. Sono stati isolati sessantatré ceppi batterici appartenenti a bacilli, attinomiceti, α-, γ- e β-proteobatteri e batteri non classificati. Abbiamo anche studiato i tratti PGP in vitro e la tolleranza al sale degli isolati. Tra gli Attinobatteri, Micromonospora spp. ha mostrato gli endofiti più promettenti nei semi. Nel loro insieme, i risultati hanno indicato che i semi erano abitati da ceppi batterici alotolleranti che potrebbero svolgere un ruolo nel mitigare gli effetti negativi dello stress salino sulla pianta ospite. Nella ricerca futura, questi batteri dovrebbero essere valutati come potenziali fonti di composti bioattivi nuovi e unici o come nuove specie batteriche.

A causa della loro elevata produttività biologica, del contributo alle emissioni globali di gas serra e del coinvolgimento nel ciclo dei nutrienti, le zone umide sono considerate ecosistemi di grande valore. Le paludi salmastre sono sistemi di zone umide unici caratterizzati da condizioni ambientali difficili, tra cui inondazioni periodiche ed elevati livelli di salinità, livelli di nutrienti, densità di erbivori e anche innalzamento del livello del mare. Ospitano una vegetazione alofila1,2. Questi ecosistemi sono caratterizzati da un basso numero di macrofite dominanti, con acidificazione prevedibile ed elevata salinità nell'ambiente3. Le piante che crescono nelle paludi salmastre costiere sono una fonte sottoesplorata di batteri associati alle piante che hanno un grande potenziale in termini di proprietà antimicrobiche, enzimatiche, di promozione della crescita delle piante (PGP) e biodegradanti3. In tali paludi salmastre è di nostro particolare interesse l'oloparassita Cistanche phelypaea (Orobanchaceae). Il genere Cistanche comprende circa 25 specie e si trova principalmente in habitat aridi, semi-aridi e alofiti in tutta l'Eurasia e nel Nord Africa4. La maggior parte delle specie appartenenti a questo genere richiedono condizioni ambientali particolari per la crescita, ovvero clima estremamente arido, suoli poveri e impoveriti, grandi sbalzi di temperatura, sole intenso e scarse precipitazioni annuali5. Il parassita a radice obbligata C. phelypaea ha un'area di distribuzione limitata ed è endemico delle paludi salmastre della costa atlantica del Portogallo e della Spagna6,7,8.

Durante l'evoluzione le Orobanchaceae oloparassite a radice obbligata sono state soggette a molteplici modifiche, ad esempio la perdita delle radici e dei plastidi9,10 e la produzione di un gran numero di semi estremamente piccoli che rimangono vitali nel terreno per molti anni11,12. Il principale materiale di deposito nei semi delle Orobanchaceae oloparassite sono i lipidi13. Le fasi cruciali del ciclo di vita delle piante oloparassite sono la germinazione dei semi, il raggiungimento dell'ospite desiderabile, l'accesso ai nutrienti e lo sviluppo della nuova generazione14. Quando vengono ricevuti i segnali dell'ospite, i semi iniziano a germogliare. Successivamente, i semi germinanti sviluppano organi specializzati chiamati austori, che penetrano nel sistema vascolare dell'ospite. Attraverso tali austori i semi oloparassiti possono raggiungere l'acqua e le sostanze nutritive dell'ospite15,16.

Nelle interazioni ospite-parassita, le condizioni estreme delle paludi salmastre sono impegnative per entrambi i partner. C. phelypaea parassita le radici delle piante alofile6. Pertanto, l'oloparassita dovrebbe possedere meccanismi di difesa contro le condizioni abiotiche del terreno salino, l'elevata pressione osmotica della soluzione del suolo e deve essere in grado di far fronte anche alla natura tollerante al sale della pianta ospite17. Le piante parassite sono colpite dallo stress salino sia direttamente che indirettamente. Sebbene i parassiti delle radici abbiano un contatto molto limitato con il suolo, sono indirettamente colpiti dallo stress salino attraverso il metabolismo del loro ospite. Negli habitat naturali, la maggior parte delle specie Cistanche preferisce che i propri ospiti crescano in condizioni di stress, a causa dell'elevato contenuto di nutrienti che gli ospiti accumulano in tali habitat18. Lo stress salino inibisce la germinazione dei semi di C. phelypaea direttamente e attraverso cambiamenti nella segnalazione dell'ospite che dipende fortemente dalla concentrazione di stimolanti della germinazione. I meccanismi di risposta dei parassiti alla salinità non sono ancora chiari19. È stato riscontrato che alcune Orobanchaceae accumulano elevate quantità di polioli20. È stato riportato che il mezzo parassita Viscum album (vischio), parassitante negli alberi, assorbe attivamente i polioli dall'ospite e sviluppa un profilo di polioli specifico per l'ospite21. A concentrazioni di sale più elevate, Cuscuta campestris, parassitando l'Arabidopsis, accumulava l-prolina e diminuiva in questo modo le concentrazioni di sale nell'ospite rispetto alle piante non infette22.