Biocontrol Potential of Forest Tree Endophytes

Peer reviewe

Priming capacities of endophytic <em>Methylobacterium</em> sp. on potato (<em>Solanum tuberosum</em> L.)

Abstract The plant can be considered a superorganism that consists of the plant per se and numerous populations of pro- and eukaryotic microorganisms. The interactions between the plant and endophytic microorganisms colonizing plant internal tissues are typically commensalistic or mutualistic. However, information on the role of endophytes in plant defense is limited because pathways are only partly known and systemic responses are typically not seen. The aim of this thesis was to study the priming capacities of endophytic Methylobacterium sp. IMBG290 on potato (Solanum tuberosum L.). Priming of plants by non-pathogenic bacteria allows the host to save energy and to reduce time needed for development of defense reaction during a pathogen attack. Priming phenomenon was demonstrated for Methylobacterium sp. IMBG290 as an activation of salicylic acid and jasmonate/ethylene-dependent defense pathways after challenge inoculation with the pathogen. Moderate activation of plant antioxidant system may also contribute to resistance induction by the strain. The viable but nonculturable state is presumably a survival strategy observed for the majority of bacterial endophytes. Pathogen attack or environmental changes can activate these quiescent forms. Thus Methylobacterium+ sp. IMBG290 became cultivable upon plant inoculation by nonpathogenic bacteria. I observed that the composition of the endophyte community changed in response to Methylobacterium sp. IMBG290 inoculation in shoot tissues and correlated with potato disease resistance and growth promotion. Therefore, the activation of endophytic bacterial populations as a putative mechanism of plant disease resistance was proposed. Endophytes have a high agricultural potential. Growth- and resistance-promoting capacities of Methylobacterium sp. IMBG290 on potato were highly variable depending on the cultivar, pathogen, inoculum density, and environmental conditions. Context-dependent efficacy requires more attention when designing complex microbial inoculants capable influencing positively plant growth, resistance, and nutritional properties.Tiivistelmä Kasvia voidaan pitää superorganismina, joka koostuu kasvista itsestään ja lukuisista pro-ja eukaryottisista mikrobipopulaatioista. Kasvin ja sen sisäosia asuttavien endofyyttisten mikro-organismien väliset vuorovaikutukset ovat yleensä kommensalistisia tai mutualistisia. Endofyyttien rooli kasvin puolustuksessa on kuitenkin huonosti tunnettu, koska reitit tiedetään vain osittain eikä järjestelmällisiä vasteita usein havaita. Tämän väitöskirjatyön tavoitteena oli tutkia endofyyttisen Methylobacterium sp. IMBG290-kannan kykyä vahvistaa perunan (Solanum tuberosum L.) puolustusta. Tautia aiheuttamattomat bakteerit kykenevät vahvistamaan kasvien puolustusta, mikä auttaa isäntäkasvia säästämään energiaa ja nopeuttamaan puolustusreaktiota patogeenihyökkäyksen aikana. Methylobacterium sp. IMBG290-kannan vahvistuskyvyn osoitettiin perustuvan salisyylihappo- ja jasmonaatti/etyleeni-riippuvaisten puolustusreittien aktivoimiseen patogeeni-istutuksen jälkeen. Antioksidanttijärjestelmän lievä aktivoituminen voi myös vaikuttaa kannan aiheuttamaan vastustuskyvyn lisääntymiseen. Suurimmalle osalle bakteeriendofyyteistä ‘elävä mutta viljelemätön’-olotila on luultavasti selviytymisstrategia. Patogeenihyökkäys tai muutokset ympäristössä voivat aktivoida tällaiset hiljaiset olomuodot. Methylobacterium sp. IMBG290-kanta muuttui viljeltävissä olevaan muotoon kun kasviin istutettiin tautia aiheuttamaton bakteeri. Selvitin, että endofyytti-yhteisön koostumus muuttuu vasteena Methylobacterium sp. IMBG290-kannan istuttamiseen kasvin verson solukoissa, korreloiden lisääntyneen perunan vastustuskyvyn ja kasvun kanssa. Siksi endofyyttisten bakteeripopulaatioiden aktivoitumista esitettiin uutena kasvin puolustusmekanismina. Endofyyteillä on suuret mahdollisuudet maataloudessa. Methylobacterium sp. IMBG290-kannan kasvua ja vastustuskykyä lisäävät ominaisuudet perunalla vaihtelivat lajikkeen, patogeenin, lisätyn bakteeriympin ja ympäristöolosuhteiden mukaan. Suunniteltaessa monimutkaisia bakteeriymppejä kasvien kasvin, vastustuskyvyn ja ravintosisällön lisäämiseksi, täytyy tällainen tilanteesta riippuva tehokkuus ottaa enemmän huomioon