Phosphate solubilizing bacteria with glucose dehydrogenase gene for phosphorus uptake and beneficial effects on wheat

Resumo

O objetivo deste estudo foi isolar, caracterizar e usar bactérias solubilizadoras de fosfato para aumentar a biodisponibilidade do fosfato de cálcio insolúvel para as plantas de trigo. Para isso, 15 bactérias solubilizadoras de fósforo (PSB) foram isoladas de solos rizosféricos de trigo de Peshawar e da região sul de Punjab, no Paquistão. Esses isolados foram identificados por microscopia de luz e pelo gene 16S rRNA. Entre as bactérias isoladas, duas cepas (Pseudomonas sp. MS16 e Enterobacter sp. MS32) foram os solubilizadores eficientes de P com base em sua atividade de solubilização de P determinada qualitativamente (índice de solubilização 3,2-5,8) e quantitativamente (136-280 μg mL-1). Essas duas cepas produziram ácido indolacético (25,6-28,1 μg mL-1), ácido giberélico (2,5-11,8), compostos de zinco solubilizados (SI 2,8-3,3) e apresentaram atividade de nitrogenase e ácido 1-aminociclopropano-1-carboxílico deaminase in vitro. A atividade de solubilização de fosfato da Pseudomonas sp. MS16 foi validada por amplificação, sequenciamento e análise filogenética do gene da glicose desidrogenase (gcd) (LT908484) responsável pela solubilização de P. A metodologia de superfície de resposta para produção em larga escala foi usada para encontrar as condições ideais (temperatura de 22,5 °C, pH 7) para a solubilização de P. Descobriu-se que a glicose suporta maior solubilização de P in vitro. Em um experimento in vitro, as mudas de trigo tratadas com PSB melhoraram a germinação e o vigor das mudas (aumentos de 11%) em comparação com o controle não inoculado. A rizoscopia dessas mudas mostrou um aumento em vários parâmetros de crescimento da raiz. A inoculação do trigo com a cepa selecionada MS16 mostrou um efeito pronunciado no rendimento de grãos em experimentos em vasos (aumento de 38,5%) e no campo (aumento de 17-18%) em comparação com o controle não inoculado. A colonização da raiz pelo PSB por meio de hibridização in situ fluorescente e microscopia confocal de varredura a laser confirmou sua competência na rizosfera do solo. A BOX-PCR confirmou as colônias reisoladas de Pseudomonas sp. MS16. Os resultados indicaram que a Pseudomonas sp. MS16, produtora de ácido glucônico de solos não explorados, pode ser uma candidata econômica e favorável ao meio ambiente para melhorar o crescimento das plantas e a absorção de fósforo pelas plantas de trigo.

Abstract

The aim of this study was to isolate, characterize and use phosphate solubilizing bacteria to enhance the bioavailability of insoluble Ca-phosphate for wheat plants. For this purpose, 15 phosphorus solubilizing bacteria (PSB) were isolated from wheat rhizospheric soils of Peshawar and southern Punjab region, Pakistan. These isolates were identified using light microscopy and 16S rRNA gene. Among the isolated bacteria, two strains (Pseudomonas sp. MS16 and Enterobacter sp. MS32) were the efficient P solubilizers based on their P solubilization activity determined qualitatively (solubilization index 3.2–5.8) as well as quantitatively (136–280 μg mL^-1). These two strains produced indole-3-acetic acid (25.6–28.1 μg mL^-1), gibberellic acid (2.5–11.8), solubilized zinc compounds (SI 2.8–3.3) and showed nitrogenase and 1-Aminocyclopropane-1-carboxylic acid deaminase activity in vitro. Phosphate solubilization activity of Pseudomonas sp. MS16 was further validated by amplification, sequencing and phylogenetic analysis of glucose dehydrogenase (gcd) gene (LT908484) responsible for P solubilization. Response Surface Methodology for large-scale production was used to find optimal conditions (Temperature 22.5°C, pH 7) for P solubilization. Glucose was found to support higher P solubilization in vitro. In an in vitro experiment, PSB treated wheat seedlings improved germination and seedling vigor (11% increases) as compared to un-inoculated control. Rhizoscanning of these seedlings showed an increase in various root growth parameters. Wheat inoculation with selected strain MS16 showed pronounced effect on grain yield in pot (38.5% increase) and field (17–18% increase) experiments compared to non-inoculated control. Root colonization by PSB through Florescent in situ Hybridization and Confocal Laser Scanning Microscopy confirmed their rhizosphere competence in soil. BOX-PCR confirmed the re-isolated colonies of Pseudomonas sp. MS16. The results indicated that gluconic acid producing Pseudomonas sp. MS16 from un-explored soils may be cost effective and environment friendly candidate to improve plant growth and phosphorous uptake by wheat plants.