Changes in metabolic profiling of sugarcane leaves induced by endophytic diazotrophic bacteria and humic acids

Resumo

Bactérias promotoras de crescimento vegetal (PGPB) e ácidos húmicos (HA) têm sido usados como bioestimulantes em condições de campo. A transcrição genômica e proteômica completa de Herbaspirillum seropedicae e Gluconacetobacter diazotrophicus está disponível, mas interpretar e utilizar essas informações no campo para aumentar o desempenho da cultura é um desafio. A identificação e caracterização de metabólitos induzidos por alterações genômicas podem ser utilizadas para melhorar a resposta das plantas à inoculação. O objetivo deste estudo foi descrever as mudanças no perfil metabólico da cana-de-açúcar que ocorrem quando o AH e o PGPB são usados como bioestimulantes. O inóculo foi aplicado em solo contendo colmos de cana-de-açúcar com 45 dias de idade. Uma semana após a inoculação, os extratos metanólicos das folhas foram obtidos e analisados por cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massas por tempo de voo; um total de 1.880 compostos foram observados e 280 foram identificados em todas as amostras. A aplicação de HA diminuiu significativamente a concentração de 15 metabólitos, que geralmente incluíam aminoácidos. O HA aumentou os níveis de 40 compostos, e estes incluíram metabólitos ligados à resposta ao estresse (ácidos xíquico, cafeico, hidroxicinâmico, putrescina, ácido behênico, quinolina xilulose, galactose, lactose prolina, oxiprolina e ácido valérico) e crescimento celular (adenina e adenosina derivados, ribose, ácido ribônico e ácido cítrico). Da mesma forma, PGPB aumentou o nível de metabólitos identificados em solos tratados com HA; por exemplo, 48 metabólitos estavam elevados e incluíam aminoácidos, ácidos nucléicos, ácidos orgânicos e lipídios. A coinoculação (HA+PGPB) aumentou o nível de 110 metabólitos em relação aos controles não inoculados; estes incluíam aminoácidos, lipídios e compostos nitrogenados. Alterações no perfil metabólico induzidas por HA+PGPB influenciaram as vias de glicose e pentose e resultaram no acúmulo de heptuloses e riboses, que são substratos na biossíntese de nucleosídeos e nas vias do ácido chiquímico. A via do mevalonato também foi ativada, aumentando a síntese de fitoesteróis. A melhora do metabolismo celular observada com PGPB+HA foi compatível com níveis elevados de vitaminas. Glucuronato e açúcares amino foram estimulados além dos produtos e compostos intermediários do metabolismo do ácido tricarboxílico. Lipídios e aminoácidos foram os principais compostos induzidos pela co-inoculação, além de antioxidantes, metabólitos relacionados ao estresse e compostos envolvidos no redox celular. Os compostos primários observados em cada tratamento foram identificados e o efeito da co-inoculação (HA+PGPB) nos níveis de metabólitos foi discutido.

Abstract

Plant growth-promoting bacteria (PGPB) and humic acids (HA) have been used as biostimulants in field conditions. The complete genomic and proteomic transcription of Herbaspirillum seropedicae and Gluconacetobacter diazotrophicus is available but interpreting and utilizing this information in the field to increase crop performance is challenging. The identification and characterization of metabolites that are induced by genomic changes may be used to improve plant responses to inoculation. The objective of this study was to describe changes in sugarcane metabolic profile that occur when HA and PGPB are used as biostimulants. Inoculum was applied to soil containing 45-day old sugarcane stalks. One week after inoculation, the methanolic extracts from leaves were obtained and analyzed by gas chromatography coupled to time-of-flight mass spectrometry; a total of 1,880 compounds were observed and 280 were identified in all samples. The application of HA significantly decreased the concentration of 15 metabolites, which generally included amino acids. HA increased the levels of 40 compounds, and these included metabolites linked to the stress response (shikimic, caffeic, hydroxycinnamic acids, putrescine, behenic acid, quinoline xylulose, galactose, lactose proline, oxyproline and valeric acid) and cellular growth (adenine and adenosine derivatives, ribose, ribonic acid and citric acid). Similarly, PGPB enhanced the level of metabolites identified in HA-treated soils; e.g., 48 metabolites were elevated and included amino acids, nucleic acids, organic acids, and lipids. Co-inoculation (HA+PGPB) boosted the level of 110 metabolites with respect to non-inoculated controls; these included amino acids, lipids and nitrogenous compounds. Changes in the metabolic profile induced by HA+PGPB influenced both glucose and pentose pathways and resulted in the accumulation of heptuloses and riboses, which are substrates in the nucleoside biosynthesis and shikimic acid pathways. The mevalonate pathway was also activated, thus increasing phytosterol synthesis. The improvement in cellular metabolism observed with PGPB+HA was compatible with high levels of vitamins. Glucuronate and amino sugars were stimulated in addition to the products and intermediary compounds of tricarboxylic acid metabolism. Lipids and amino acids were the main compounds induced by co-inoculation in addition to antioxidants, stress-related metabolites, and compounds involved in cellular redox. The primary compounds observed in each treatment were identified, and the effect of co-inoculation (HA+PGPB) on metabolite levels was discussed.