Development of an integrated fermentation and formulation approach for the endophytic bacterium Kosakonia radicincitans DSM16656T as a novel plant biostimulant

Abstract

Plant growth-promoting bacterial endophytes or PGPBE are considered the future of plants growth bio-stimulators, based on their undeniable advantageous over epiphytic microorganism commonly applied to enhance host plant nutrition and protection. However, current research of these plant-associated microorganisms has deficiencies concerning cultivation and pre-formulation strategies on further bioactivity as an endophyte. Besides, the repercussion of cultivation conditions and osmotic stress in PGPBE on P-solubilizing ability has not been yet addressed. Through the strategy by pre-conditioning of cells with osmoadaptation, hydroxyectoine accumulation and a further encapsulation of cells in amidated pectin beads, this doctoral research aimed at enhancing the capacity of the PGPBE Kosakonia radicincitans DSM16656T strain to colonize plant seedlings, solubilize phosphate and support the drying survival during formulation processing. Here, it was demonstrated that halotolerant phenotypes of bacteria provide a remarkable positive influence on drying survival and about 3-fold increased the plant endosphere colonization capacity, supporting growth promotion effects in radish plants up to 41.1 % in the fresh matter. Interestingly, the pre-conditioning lead to an increase of 23.3 % in the in vitro phosphate solubilization ability by positively affecting acid phosphatases production. Beyond the accumulation of hydroxyectoine, this work provides evidence supporting the notion that hydroxyectoine can produce significant changes in the endogenous metabolome of K. radicincitans DSM16656T during the exponential growth phase at high salinities. Metabolome changes include alterations on tricarboxylic acid cycle, novo-synthesis of specific intracellular metabolites such as mannitol, myo-inositol and trehalose, and up-regulation on amino acids such as L-leucine, L-asparagine, L-serine, L-methionine and L-proline. The significant 11.07-fold change of L-aspartate suggests a potential acidic proteome at high salinities, extending the knowledge of traits for salt-stressed bacterial endophytes. Likewise, pre-osmoadapted bacteria formulated in amidated hydrogel pectin dried beads, 10-fold increased the ability to multiply endophytically and the efficacy as a plant growth promoter in radish plants. GFP-tagged bacteria approach revealed that bacterial aggregates formed during the re-hydration of beads play an essential role in early colonization stages. Overall, these findings place the metabolic salt stress response and the hydroxyectoine accumulation by K. radicincitans DSM16656T into a physiological context, paving the way into the interaction between the cellular phenotype associated with salt stress tolerance, and drying survival capacity of Gram-negative endophytes. This investigation provides insights for understanding the success of pre-conditioned and immobilized bacterial endophytes, also their mechanisms during early plant colonization establishments, encouraging the integration of fermentation and formulation strategies for exploiting endophytic bacteria.

Los endófitos bacterianos que promueven el crecimiento de las plantas o PGPBE se consideran el futuro de los bioestimulantes en plantas, con base en su innegable ventaja sobre los microorganismos epífitos que se aplican comúnmente para mejorar la nutrición y protección. Sin embargo, la investigación actual de estos microorganismos asociados a las plantas tiene deficiencias en relación con la influencia de las estrategias de cultivo y de pre-formulación con la subsecuente capacidad de colonización de plantas. Además, todavía no se ha abordado la influencia de las condiciones de cultivo y el estrés osmótico en PGPBE sobre la capacidad de solubilización de fósforo. Esta investigación doctoral tuvo como objetivo mejorar la capacidad de la cepa PGPBE Kosakonia radicincitans DSM 16656T para colonizar plantas, solubilizar fosfato y favorecer la supervivencia al secado durante la formulación. La estrategia incluye el pre-acondicionamiento de las células con osmo-adaptación, acumulación de hidroxiectoina y posterior encapsulación de las células utilizando pectina amidada. Los resultados demostraron que los fenotipos halotolerantes de las bacterias proporcionan una notable influencia positiva en la supervivencia al secado y aumentan aproximadamente en 3 veces la capacidad de colonización de la raíz, lo que respalda los efectos de la promoción del crecimiento en plantas de rábano hasta de 41,1% en la materia fresca. Es así como, el pre-acondicionamiento condujo a un aumento del 23,1% en la capacidad de solubilización de fosfato in vitro al afectar positivamente la producción de fosfatasas ácidas. Más allá de la acumulación de hydroxiectoina, este trabajo proporciona evidencia que apoya la noción de que la hydroxiectoina puede producir cambios significativos en el metaboloma endógeno de K. radicincitans DSM 16656T durante la fase de crecimiento exponencial en salinidades altas. Los cambios metabólicos incluyen alteraciones en el ciclo del ácido tricarboxílico, novo-síntesis de metabolitos intracelulares específicos como manitol, mio-inositol y trehalosa, y cambios en los aminoácidos como L-leucina, L-asparagina, L-serina, L-metionina y L-prolina. El significativo cambio de 11,07 veces de L-aspartato sugiere un potencial proteoma ácido en salinidades altas, lo que amplía el conocimiento de las bacterias endófitas bajo estrés salino. Además, las bacterias pre-osmoadaptadas formuladas en capsulas secas de pectina amidada aumentaron en 10 veces la capacidad endofítica y la eficacia como promotor del crecimiento de plantas de rábano bajo condiciones de invernadero. También, los agregados bacterianos formados durante la activación de las capsulas juegan un papel esencial en las etapas tempranas de colonización. Estos hallazgos ubican la respuesta metabólica al estrés salino y la acumulación de hidroxiectoina por K. radicincitans DSM 16656T en un contexto fisiológico, allanando el camino hacia la interacción entre el fenotipo celular asociado con la tolerancia al estrés salino y la capacidad de supervivencia de los endófitos Gram-negativos. Por último, esta investigación proporciona información para comprender el éxito de los endófitos bacterianos pre-acondicionados e inmovilizados, asi como sus mecanismos durante los primeros establecimientos de colonización de plantas, alentando la integración de las estrategias de fermentación y formulación para explotar las bacterias endofíticas.