Progress in Plant Protection

Bakterie z rodzaju Paenibacillus jako biologiczny czynnik kontroli grzybów i mykotoksyn fuzaryjnych w badaniach modelowych
Paenibacillus bacteria as a biological factor to control Fusarium fungi and mycotoxins in model studies

Krzysztof Juś, e-mail: krzysztof.jus@ue.poznan.pl

Uniwersytet Ekonomiczny w Poznaniu, Instytut Nauk o Jakości, Katedra Przyrodniczych Podstaw Jakości, al. Niepodległości 10, 61-875 Poznań, Polska

Romuald Gwiazdowski, e-mail: r.gwiazdowski@iorpib.poznan.pl

Instytut Ochrony Roślin – Państwowy Instytut Badawczy, Centrum Badań Rejestracyjnych Agrochemikaliów, Władysława Węgorka 20, 60-318 Poznań, Polska

Daniela Gwiazdowska, e-mail: daniela.gwiazdowska@ue.poznan.pl

Uniwersytet Ekonomiczny w Poznaniu, Instytut Nauk o Jakości, Katedra Przyrodniczych Podstaw Jakości, al. Niepodległości 10, 61-875 Poznań, Polska

Katarzyna Marchwińska, e-mail: katarzyna.marchwinska@ue.poznan.pl

Uniwersytet Ekonomiczny w Poznaniu, Instytut Nauk o Jakości, Katedra Przyrodniczych Podstaw Jakości, al. Niepodległości 10, 61-875 Poznań, Polska

Agnieszka Waśkiewicz, e-mail: agnieszka.waskiewicz@up.poznan.pl

Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu, Wydział Leśny i Technologii Drewna, Katedra Chemii, Wojska Polskiego 75, 60-625 Poznań, Polska
Streszczenie

Do kontroli toksynotwórczych grzybów w uprawach zbóż coraz powszechniej stosowane są różnego rodzaju mikroorganizmy, które stanowią ważny element integrowanej ochrony roślin ograniczający stosowanie zabiegów chemicznych. Celem badań była ocena potencjału bakterii z rodzaju Paenibacillus do hamowania wzrostu grzybów i mykotoksyn fuzaryjnych w układzie modelowym na ziarnach ryżu. Aktywność badanych szczepów w zakresie hamowania wzrostu grzybów oraz redukcji poziomu mykotoksyn określono analizując chromatograficznie (HPLC) zawartość ergosterolu (ERG), zearalenonu (ZEA) i deoksyniwalenolu (DON) w ziarnach ryżu po ich inokulacji hodowlami bakteryjnymi oraz zainfekowaniu przez Fusarium graminearum i Fusarium culmorum. Bazując na uzyskanych wynikach można stwierdzić, iż badane szczepy bakterii skutecznie hamowały wzrost grzybów z rodzaju Fusarium, jak również, w poszczególnych wariantach, redukowały poziom ZEA i DON w ziarnach ryżu. Aktywność testowanych bakterii w analizowanym doświadczeniu uzależniona była zarówno od szczepu bakteryjnego, rodzaju grzyba, jak i objętości hodowli bakterii użytej do inokulacji ryżu.

 

Various types of microorganisms are commonly used to control toxinogenic fungi in cereal crops and constitute an important element of integrated pest management, limiting the use of chemical treatments. The aim of the study was to evaluate the potential of Paenibacillus bacteria for the growth inhibition of Fusarium fungi and mycotoxins in a model studies on rice grains. The activity of the studied strains in inhibiting the growth of fungi and reducing the level of mycotoxins was determined by chromatographic (HPLC) analysis of the content of ergosterol (ERG), zearalenone (ZEA) and deoxynivalenol (DON) in rice grains after their inoculation with bacterial cultures and infection by Fusarium graminearum and Fusarium culmorum. Based on the obtained results it can be concluded that the studied strains of bacteria effectively inhibited the growth of fungi of the genus Fusarium and, in individual variants, reduced the levels of ZEA and DON in rice grains. The activity of the tested bacteria in the analyzed range depended on the bacterial strain, the type of fungus and the amount of bacterial culture used to inoculate rice.

Słowa kluczowe
biologiczna kontrola roślin; bakterie Paenibacillus sp.; mykotoksyny; bezpieczeństwo żywności; biological plant control; Paenibacillus sp. bacteria; mycotoxins; food safety
Referencje

Abd El Daim I.A., Häggblom P., Karlsson M., Stenström E., Timmusk S. 2015. Paenibacillus polymyxa A26 Sfp-type PPTase inactivation limits bacterial antagonism against Fusarium graminearum but not of F. culmorum in kernel assay. Frontiers in Plant Science 6: 368. DOI: 10.3389/fpls.2015.00368

 

Beatty P.H., Jensen S.E. 2002. Paenibacillus polymyxa produces fusaricidin-type antifungal antibiotics active against Leptosphaeria maculans, the causative agent of blackleg disease of canola. Canadian Journal of Microbiology 48 (2): 159–169. DOI: 10.1139/W02-002

 

Chan Y.K., Savard M.E., Reid L.M., Cyr T., McCormick W.A., Seguin C. 2009. Identification of lipopeptide antibiotics of a Bacillus subtilis isolate and their control of Fusarium graminearum diseases in maize and wheat. BioControl 54 (4): 567–574. DOI: 10.1007/s10526-008-9201-x

 

Chung Y.R., Kim C.H., Hwang I., Chun J. 2000. Paenibacillus koreensis sp. nov., a new species that produces an iturin-like antifungal compound. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 50 (4): 1495–1500. DOI: 10.1099/00207713-50-4-1495

 

Deng Y., Lu Z., Bi H., Lu F., Zhang C., Bie X. 2011. Isolation and characterization of peptide antibiotics LI – F04 and polymyxin B6 produced by Paenibacillus polymyxa strain JSa – 9. Peptides 32 (9): 1917–1923. DOI: 10.1016/j.peptides.2011.08.004

 

Desjardins A.E. 2007. Fusarium Mycotoxins: Chemistry, Genetics and Biology. American Phytopathological Society (APS Press). St. Paul, MN, USA, 268 ss. ISBN 0-89-54-335-6.

 

Ding R., Wu X.C., Qian C.D., Teng Y., Li O., Zhan Z.J., Zhao Y.H. 2011. Isolation and identification of lipopeptide antibiotics from Paenibacillus elgii B69 with inhibitory activity against methicillin-resistant Staphylococcus aureus. The Journal of Microbiology 49 (6): 942–949. DOI: 10.1007/s12275-011-1153-7

 

Dweba C.C., Figlan S., Shimelis H.A., Motaung T.E., Sydenham S., Mwadzingeni L., Tsilo T.J. 2017. Fusarium head blight of wheat: Pathogenesis and control strategies. Crop Protection 91: 114–122. DOI: 10.1016/j.cropro.2016.10.002

 

El Meleigi M.A., Al-Rogaibah A.A., Ibrahim G.H., Al Gamhan K.A. 2014. Role of antibiosis and production of indole-3-acetic acid by bacilli strains in suppression of root pathogens and growth promotion of alfalfa seedlings. International Journal of Current Microbiology and Applied Sciences 3 (6): 685–696.

 

Garcia S.N., Osburn B.I., Jay-Russell M.T. 2020. One health for food safety, food security, and sustainable food production. Frontiers in Sustainable Food Systems 4: 1. DOI: 10.3389/fsufs.2020.00001

 

Goliński P., Waśkiewicz A., Wiśniewska H., Kiecana I., Mielniczuk E., Gromadzka M., Kostecki M., Bocianowski J., Rymaniak E. 2010. Reaction of winter wheat (Triticum aestivum L.) cultivars to infection with Fusarium spp. - mycotoxins contamination in grain and chaff. Food Additives and Contaminants: Part A, 27: 1015–1024. DOI: 10.1080/19440041003702208

 

Gwiazdowski R., Gwiazdowska D., Juś K., Bednarek-Bartsch A., Danielewicz B. 2013. Wstępna charakterystyka fungistatycznych metabolitów wytwarzanych przez Paenibacillus sp. [Preliminary characteristics of fungistatic metabolites produced by Paenibacillus sp.]. Progress in Plant Protection/Postępy w Ochronie Roślin 53 (3): 533–537. DOI: 10.14199/ppp-2013-059

 

Hofgaard I.S., Aamot H.U., Torp T., Jestoi M., Lattanzio V.M.T., Klemsdal S.S., Waalwijk C., Van der Lee T., Brodal G. 2016. Associations between Fusarium species and mycotoxins in oats and spring wheat from farmers’ fields in Norway over a six-year period. World Mycotoxin Journal 9 (3): 365–378. DOI: 10.3920/WMJ2015.2003

 

Holtappels D., Fortuna K., Lavigne R., Wagemans J. 2021. The future of phage biocontrol in integrated plant protection for sustainable crop production. Current Opinion in Biotechnology 68: 60–71. DOI: 10.1016/j.copbio.2020.08.016

 

Jankiewicz U., Świątek-Brzezinska M. 2016. The role of exochitinase type a1 in the fungistatic activity of the rhizosphere bacterium Paenibacillus sp. M4. Archives of Biological Science 68 (2): 451–459. DOI: 10.2298/ABS150619138J

 

Juś K. 2016. Biologiczna kontrola grzybów strzępkowych z rodzaju Fusarium poprzez wykorzystanie bakterii Paenibacillus sp. s. 79–86. W: Badania i rozwój młodych naukowców w Polsce. Mikrobiologia i ekologia (M. Panfil, red.). Badania i Rozwój Młodych Naukowców w Polsce – Monografie. Młodzi Naukowcy, Poznań. ISBN 978-83-65362-55-1.

 

Liu Z., Fan L., Zhang D., Li Y. 2011. Antifungal depsipeptide compounds from Paenibacillus polymyxa HY96-2. Chemistry of Natural Compounds 47 (3): 496–497.

 

Mielniczuk E., Skwaryło-Bednarz B. 2020. Fusarium head blight, mycotoxins and strategies for their reduction. Agronomy 10 (4): 509. DOI: 10.3390/agronomy10040509

 

Nagendran K., Kumari S., Dubey V., Pandey K.K. 2020. Development of integrated disease management (IDM) module for major diseases in bitter gourd. Vegetable Science 47 (1): 39–43.

 

Naing K.W., Anees M., Kim S.J., Nam Y., Kim Y.C., Kim K.Y. 2014. Characterization of antifungal activity of Paenibacillus ehimensis KWN38 against soilborne phytopathogenic fungi belonging to various taxonomic groups. Annals of Microbiology 64 (1): 55–63. DOI: 10.1007/s13213-013-0632-y

 

O’Donnell K., Sutton D.A., Rinaldi M.G., Magnon K.C., Cox P.A., Revankar S.G., Sanche S., Geiser D.M., Juba J.H., van Burik J.H., Padhye A., Anaissie E.J., Francesconi A., Walsh T.J., Robinson J.S. 2004. Genetic diversity of human pathogenic members of the Fusarium oxysporum complex inferred from multilocus DNA sequence data and amplified fragment length polymorphism analyses: evidence for the recent dispersion of a geographically widespread clonal lineage and nosocomial origin. Journal of Clinical Microbiology 42 (11): 5109–5120. DOI: 10.1128/JCM.42.11.5109-5120.2004

 

Perczak A., Gwiazdowska D., Gwiazdowski R., Juś K., Marchwińska K., Waśkiewicz A. 2020. The inhibitory potential of selected essential oils on Fusarium spp. growth and mycotoxins biosynthesis in maize seeds. Pathogens 9 (1): 23. DOI: 10.3390/pathogens9010023

 

Rahman M.T., Rubayet M.T., Khan A.A., Bhuiyan M.K.A. 2020. Integrated management of fusarium root rot and wilt disease of soybean caused by Fusarium oxysporum. International Journal of Biosciences 17 (2): 83–96. DOI: 10.12692/ijb/17.2.83-96

 

Raza W., Yuan J., Ling N., Huang Q., Shen Q. 2015. Production of volatile organic compounds by an antagonistic strain Paenibacillus polymyxa WR-2 in the presence of root exudates and organic fertilizer and their antifungal activity against Fusarium oxysporum f. sp. niveum. Biological Control 80: 89–95. DOI: 10.1016/j.biocontrol.2014.09.004

 

Shaheen M., Li J., Ross A.C., Vederas J.C., Jensen S.E. 2011. Paenibacillus polymyxa PKB1 produces variants of polymyxin B-type antibiotics. Chemistry & Biology 18 (12): 1640–1648. DOI: 10.1016/j.chembiol.2011.09.017

 

Shi C., Yan P., Li J., Wu H., Li Q., Guan S. 2014. Biocontrol of Fusarium graminearum growth and deoxynivalenol production in wheat kernels with bacterial antagonists. International Journal of Environmental Research and Public Health 11 (1): 1094–1105. DOI: 10.3390/ijerph110101094

 

Singh R., Singh G.S. 2017. Traditional agriculture: a climate-smart approach for sustainable food production. Energy, Ecology and Environment 2 (5): 296–316. DOI: 10.1007/s40974-017-0074-7

 

Suchorzyńska M., Misiewicz A. 2009. Mikotoksynotwórcze grzyby fitopatogeniczne z rodzaju Fusarium i ich wykrywanie technikami PCR. [Mycotoxigenic phythopathogenic fungi of Fusarium genus and their identification by PCR techniques]. Postępy Mikrobiologii 48 (3): 221–230.

 

van der Lee T., Zhang H., van Diepeningen A., Waalwijk C. 2015. Biogeography of Fusarium graminearum species complex and chemotypes: a review. Food Additives & Contaminants: Part A: Chemistry, Analysis, Control, Exposure & Risk Assessment. Foreword 32 (4): 453–460. DOI: 10.1080/19440049.2014.984244

 

Waśkiewicz A., Morkunas I., Bednarski W., Mai V.C., Formela M., Beszterda M., Wiśniewska H., Goliński P. 2014. Deoxynivalenol and oxidative stress indicators in winter wheat inoculated with Fusarium graminearum. Toxins 6 (2): 575–591. DOI: 10.3390/toxins6020575

 

Żmija D. 2014. Zrównoważony rozwój rolnictwa i obszarów wiejskich w Polsce. [Sustainable development of agriculture and rural areas in Poland]. Studia Ekonomiczne 166: 149–158.

Progress in Plant Protection (2021) 61: 338-345
Data pierwszej publikacji on-line: 2021-11-17 11:03:15
http://dx.doi.org/10.14199/ppp-2021-036
Pełny tekst (.PDF) BibTeX Mendeley Powrót do listy