The interplay between the inoculation of plant growth-promoting rhizobacteria and the rhizosphere microbiome and their impact on plant phenotype

Resumo

A inoculação microbiana é uma estratégia fundamental, que favorece relações simbióticas entre microrganismos benéficos e plantas, aumentando a absorção de nutrientes, fortalecendo a resiliência a estresses ambientais e, em última instância, promovendo um crescimento vegetal mais saudável e produtivo. Contudo, embora os papéis vantajosos dos inoculantes sejam amplamente reconhecidos, os impactos precisos da inoculação sobre as complexas interações do microbioma da rizosfera permanecem pouco explorados. Este estudo investiga o impacto da inoculação bacteriana sobre as propriedades do solo, o crescimento das plantas e o microbioma da rizosfera. Empregando diversas estirpes bacterianas e uma comunidade sintética (SynCom) como inoculantes em plantas de feijoeiro, as comunidades bacterianas e fúngicas da rizosfera foram avaliadas por sequenciamento dos genes 16S rRNA e ITS. Paralelamente, foram avaliados parâmetros químicos do solo, características das plantas e expressão gênica. Os resultados revelaram que a inoculação bacteriana, em geral, reduziu o pH e a V% e aumentou H+Al e m% na rizosfera. Também reduziu a expressão de genes da planta relacionados à detoxificação, à fotossíntese e aos mecanismos de defesa, ao mesmo tempo em que aumentou a diversidade bacteriana da rizosfera, com potencial benefício à sanidade das plantas. As estirpes bacterianas tiveram impactos variados na montagem do microbioma da rizosfera, afetando mais as bactérias do que os fungos rizosféricos e influenciando indiretamente as condições do solo e as plantas. Destaca-se que a inoculação com Paenibacillus polymyxa aumentou os teores de nitrogênio (em 5,2%) e de ferro (em 28,1%) na planta, enquanto Bacillus cereus elevou as taxas de micorrização (em 70%). Além disso, a inoculação aumentou a complexidade das redes de interação na rizosfera (~15%), com possível impacto sobre a sanidade das plantas. Em conjunto, os resultados evidenciam o impacto significativo da introdução de bactérias na rizosfera, aumentando a disponibilidade de nutrientes e a diversidade microbiana e favorecendo interações benéficas planta-micróbio.

Abstract

Microbial inoculation stands as a pivotal strategy, fostering symbiotic relationships between beneficial microorganisms and plants, thereby enhancing nutrient uptake, bolstering resilience against environmental stressors, and ultimately promoting healthier and more productive plant growth. However, while the advantageous roles of inoculants are widely acknowledged, the precise and nuanced impacts of inoculation on the intricate interactions of the rhizosphere microbiome remain significantly underexplored. This study explores the impact of bacterial inoculation on soil properties, plant growth, and the rhizosphere microbiome. By employing various bacterial strains and a synthetic community (SynCom) as inoculants in common bean plants, the bacterial and fungal communities in the rhizosphere were assessed through 16 S rRNA and ITS gene sequencing. Concurrently, soil chemical parameters, plant traits, and gene expression were evaluated. The findings revealed that bacterial inoculation generally decreased pH and V%, while increasing H+Al and m% in the rhizosphere. It also decreased gene expression in plants related to detoxification, photosynthesis, and defense mechanisms, while enhancing bacterial diversity in the rhizosphere, potentially benefiting plant health. Specific bacterial strains showed varied impacts on rhizosphere microbiome assembly, predominantly affecting rhizospheric bacteria more than fungi, indirectly influencing soil conditions and plants. Notably, Paenibacillus polymyxa inoculation improved plant nitrogen (by 5.2%) and iron levels (by 28.1%), whereas Bacillus cereus boosted mycorrhization rates (by 70%). Additionally, inoculation led to increased complexity in network interactions within the rhizosphere (~15%), potentially impacting plant health. Overall, the findings highlight the significant impact of introducing bacteria to the rhizosphere, enhancing nutrient availability, microbial diversity, and fostering beneficial plant-microbe interactions.