The effect of metal-containing biocomposites of fungal origin on potato plants in vitro

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The effect of metal (II)-containing composites based on extracellular metabolites of basidiomycetes Pleurotus ostreatus, Ganoderma lucidum, Grifola umbellata and Laetiporus sulphureus on the viability and response of potato plants in vitro has been investigated. The Lukyanovsky variety of potato, which is susceptible to ring rot, caused by the bacterium Clavibacter sepedonicus, was studied. The parameters investigated included biofilm formation by Clavibacter sepedonicus, various morphometric parameters of plants and the phytotoxicity of substances of fungal origin. The greatest anti-biofilm-forming effect was observed in metal-containing biocomposites based on G. lucidum; Fe- and Co-containing biopreparations inhibited the formation of Clavibacter sepedonicus biofilms by 40–50%. The plant height was adversely affected by composites, in the absence of metal (II), derived from L. sulphureus and P. ostreatus, as well as by a Co-containing composite derived from P. ostreatus. The decrease in plant growth, in comparison with the control, can be associated with the pronounced antibiotic properties of these basidiomycetes and cobalt. The remaining biocomposites studied did not have an adverse effect on the growth of potatoes in vitro. A number of morphometric parameters (length of internodes, number of leaves) remained virtually unchanged when exposed to biocomposites of fungal origin. In contrast to the vegetative part of plants, the biomass and length of the roots increased by 10–20% under the influence of biocomposites. Copper-containing composites derived from G. lucidum had no phytotoxic effect on plants and enhanced potato resistance to Clavibacter sepedonicus. The beneficial properties of biocomosites may be judged by the degree of stimulation of the physiological processes underlying the formation of the underground part of the plants, which is a prerequisite for increasing yields. The biocomposites are environmentally friendly because of their natural origin and being effective at very low doses. The results obtained using metal-containing biocomposites derived from G. lucidum and Gr. umbellata demonstrate the safety and possible improvement in health of potato plants by using biocomposites derived from cultures of higher fungi.

About the authors

O. M. Tsivileva

Institute of Biochemistry and Physiology of Plants and Microorganisms, Russian Academy of Sciences

Email: tsivileva@ibppm.ru

A. I. Perfileva

Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry, Russian Academy of Sciences, Siberian Branch

Email: alla.light@mail.ru

A. G. Pavlova

Irkutsk State University

Email: pavlovaantonina2013@yandex.ru

References

  1. Eljounaidi K., Lee S.K., Bae H. Bacterial endophytes as potential biocontrol agents of vascular wilt diseases – Review and future prospects // Biological Control. 2016. Vol. 103. P. 62–68. https://doi.org/10.1016/j.biocontrol.2016.07.013
  2. Бояркина С.В., Омеличкина Ю.В., Шафикова Т.Н. Генерация пероксида водорода в растениях и культурах клеток картофеля при инфицировании Pectobacterium carotovorum ssp. carotovorum // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2019. Т. 9. N 1. С. 67–74. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2019-9-1-67-74
  3. Van der Wolf J.M., Van Beckhoven J.R.C.M., Hukkanen A., Karjalainen R., Muller P. Fate of Clavibacter michiganensis ssp. sepedonicus, the causal organism of bacterial ring rot in potato, in weeds and field crops // Journal of Phytopathology. 2005. Vol. 153. Issue 6. P. 358–365. https://doi.org/10.1111/j.1439-0434.2005.00985.x
  4. Li X., Tambong J., Yuan K.X., Chen W., Xu H., Lévesque C.A., et al. Re-classification of Clavibacter michiganensis subspecies on the basis of whole-genome and multi-locus sequence analyses // International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology. 2018. Vol. 68. Issue 1. P. 234–240. https://doi.org/10.1099/ijsem.0.002492
  5. Van der Wolf J.M., Elphinstone J.G., Stead D.E., Metzler M., Müller P., Hukkanen A., Karjalainen R. Epidemiology of Clavibacter michiganensis subsp. sepedonicus in relation to control of bacterial ring rot. Plant Research International, Wageningen, The Netherlands. 2005. 38 p.
  6. Żaczek A., Struś K., Sokołowska A., Parniewski P., Wojtasik A., Dziadek J. Differen-tiation of Clavibacter michiganensis subsp. Sepedonicus using PCR melting profile and variable number of tandem repeat methods // Letters in Applied Microbiology. 2019. Vol. 68. Issue 1. P. 24–30. https://doi.org/10.1111/lam.13081
  7. Бояркина С.В., Омеличкина Ю.В., Волкова О.Д., Еникеев А.Г., Верхотуров В.В., Шафикова Т.Н. Ответные реакции растений табака на воздействие биотрофа Clavibacter michiganensis и некротрофа Pectobacterium carotovorum // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2016. Т. 6. N 3. С. 42–49. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2016-6-3-42–49
  8. Киргизова И.В., Гаджимурадова А.М., Омаров Р.Т. Особенности накопления антиоксидантных ферментов у растений картофеля в условиях биотического и абиотического стрессов // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2018. Т. 8. N 4. С. 42–54. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2018-8-4-42-54
  9. Lin D., Xing B. Phytotoxicity of nanoparticles: inhibition of seed germination and root growth // Environmental Pollution. 2007. Vol. 150. Issue 2. P. 243–250. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2007.01.016
  10. Lee W.-M., An Y.-J., Yoon H., Kweon H.-S. Toxicity and bioavailability of copper nanoparticles to the terrestrial plants mung bean (Phaseolus radiatus) and wheat (Triticum aestivum): plant agar test for water-insoluble nanoparticles // Environmental Toxicology and Chemistry: An International Journal. 2008. Vol. 27. N 9. P. 1915–1921. https://doi.org/10.1897/07-481.1
  11. Lee C.W., Mahendra S., Zodrow K., Li D., Tsai Y.-C., Braam J., et al. Developmental phytotoxicity of metal oxide nanoparticles to Arabidopsis thaliana // Environmental Toxicology and Chemistry: An International Journal. 2010. Vol. 29. Issue 3. P. 669–675. https://doi.org/10.1002/etc.58
  12. Benn T.M., Westerhoff P. Nanoparticle silver released into water from commercially available sock fabrics // Environmental Science & Technology. 2008. Vol. 42. Issue 11. P. 4133–4139. https://doi.org/10.1021/es7032718
  13. Tsivileva O.M., Perfileva A.I. Selenium compounds biotransformed by mushrooms: not only dietary sources, but also toxicity mediators // Current Nutrition & Food Science. 2017. Vol. 13. Issue 2. P. 82–96. https://doi.org/10.2174/1573401313666170117144547
  14. Romanenko A.S., Riffel A.A., Graskova I.A., Rachenko M.A. The role of extracellular pH-homeostasis in potato resistance to ring rot pathogen // Journal of Phytopathology. 1999. Vol. 147. Issue 11-12. P. 679–686. https://doi.org/10.1046/j.1439-0434.1999.00450.x
  15. Омеличкина Ю.В., Бояркина С.В., Шафикова Т.Н. Реакции эффектор-активируемого иммунитета в культурах клеток картофеля и табака при действии фитопатогена Clavibacter michiganensis ssp. sepedonicus // Физиология растений. 2017. Т. 64. N 3. С. 204–212. https://doi.org/10.7868/S0015330317020099
  16. Цивилева О.М., Перфильева А.И., Иванова А.А., Павлова А.Г. Биополимерные композиты грибного происхождения против бактериального фитопатогена // Биомика. 2018. Т. 10. N 2. C. 210–213. https://doi.org/10.31301/2221-6197.bmcs.2018-30
  17. Аветисян Л.Р., Шагинян И.А., Чернуха М.Ю. Основные механизмы формирования эпидемически значимых госпитальных клонов бактерий // Успехи современной биологии. 2016. Т. 136. N 1. C. 41–52.
  18. Akintokun A.K., Ojesola C.O., Akintokun P.O., Oloyede A.R. Antagonistic effect of Bacillus thuringiensis for the control of bacterial wilt of tomato (Lycopersicon esculentum Mill) // Nigerian Journal of Biotechnology. 2019. Vol. 36. Issue 1. P. 94–102. https://dx.doi.org/10.4314/njb.v36i1.13
  19. Елисеева О.В., Елисеев А.Ф. Содержание некоторых микроэлементов в вегетативных органах редьки (Raphanus sativus L.) // Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии. ТСХА. 2011. N 2. С. 59–68.
  20. Sabo V.A., Knezevic P. Antimicrobial activity of Eucalyptus camaldulensis Dehn. plant extracts and essential oils: A review // Industrial Crops and Products. 2019. Vol. 132. P. 413–429. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2019.02.051
  21. Eichenlaub R., Gartemann K.H. The Clavibacter michiganensis subspecies: molecular investigation of gram-positive bacterial plant pathogens // Annual Review of Phytopathology. 2011. Vol. 49. P. 445–464. https://doi.org/10.1146/annurev-phyto-072910-095258
  22. Цивилева O.M., Нгуен T.Ф., Ву Л.Н., Чернышова М.П., Юрасов Н.А., Петров А.Н.. Липидные компоненты пигментированного и глубинного мицелия Ganoderma разных климатических зон // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2015. N 3. С. 37–47.
  23. Liang C., Tian D., Liu Y., Li H., Zhu J., Li M., et al. Review of the molecular mechanisms of Ganoderma lucidum triterpenoids: Ganoderic acids A, C2, D, F, DM, X and Y // European Journal of Medicinal Chemistry. 2019. Vol. 174. P. 130–141. https://doi.org/10.1016/j.ejmech.2019.04.039
  24. Ikon G.M., Udobre E.A., Etang U.E., Ekanemesang U.M., Ebana R.U., Edet U.O. Phytochemical screening, proximate composition and antibacterial activity of oyster mushroom, Pleurotus ostreatus collected from Etim Ekpo in Akwa Ibom state, Nigeria // Asian Food Science Journal. 2019. Vol. 6. Issue 2. P. 1–10. https://doi.org/10.9734/AFSJ/2019/45956
  25. Younis A.M., Yosri M., Stewart J.K. In vitro evaluation of pleiotropic properties of wild mushroom Laetiporus sulphureus // Annals of Agricultural Sciences. 2019. Vol. 64. Issue 1. P. 79–87. https://doi.org/10.1016/j.aoas.2019.05.001
  26. Matute R.G., Serra A., Figlas D., Curvetto N. Copper and zinc bioaccumulation and bioavailability of Ganoderma lucidum // Journal of Medicinal Food. 2011. Vol. 14. Issue 10. P. 1273–1279. https://doi.org/10.1089/jmf.2010.0206
  27. Glukhova L.B., Frank Y.A., Danilova E.V., Avakyan M.R., Banks D., Tuovinen O.H., et al. Isolation, characterization, and metal response of novel, acid-tolerant Penicillium spp. from extremely metal-rich waters at a mining site in Transbaikal (Siberia, Russia) // Microbial Ecology. 2018. Vol. 76. Issue 4. P. 911–924. https://doi.org/10.1007/s00248-018-1186-0
  28. Ćilerdžić J., Galić M., Vukojević J., Stajic M. Pleurotus ostreatus and Laetiporus sulphureus (Agaricomycetes): possible agents against Alzheimer and Parkinson diseases // International Journal of Medicinal Mushrooms. 2019. Vol. 21. Issue 3. P. 275–289. https://doi.org/10.1615/IntJMedMushrooms.2019030136
  29. Xia X.-J., Zhou Y.-H., Shi K., Zhou J., Foyer C.H., Yu J.-Q. Interplay between reactive oxygen species and hormones in the control of plant development and stress tolerance // Journal of Experimental Botany. 2015. Vol. 66. Issue 10. P. 2839–2856. https://doi.org/10.1093/jxb/erv089
  30. Milanović J., Oklestkova J., Novák O., Mihaljević S. Effects of potato spindle tuber viroid infection on phytohormone and antioxidant responses in symptomless Solanum laxum plants // Journal of Plant Growth Regulation. 2019. Vol. 38. Issue 1. P. 325–332. https://doi.org/10.1007/s00344-018-9842-7
  31. Efimova M.V., Kolomeichuk L.V., Boyko E.V., Malofii M.K., Vidershpan A.N., Plyusnin I.N., et al. Physiological mechanisms of Solanum tuberosum L. plants’ tolerance to chloride salinity // Russian Journal of Plant Physiology. 2018. Vol. 65. Issue 3. P. 394–403. https://doi.org/10.1134/S1021443718030020
  32. Поликсенова В.Д. Индуцированная устойчивость растений к патогенам и абиотическим стрессовым факторам (на примере томата) // Вестник Белорусского государственного университета. Серия 2. Химия. Биология. География. 2009. N 1. С. 48–60.
  33. Karasov T.L., Chae E., Herman J.J., Bergelson J. Mechanisms to mitigate the trade-off between growth and defense // The Plant Cell. 2017. Vol. 29. Issue 4. P. 666–680. https://doi.org/10.1105/tpc.16.00931

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».