Evaluation of the plant biostimulant effects of selected eukaryotic green microalgae

Gitau Margaret
Evaluation of the plant biostimulant effects of selected eukaryotic green microalgae.
Doctoral thesis (PhD), University of Szeged.
(2023)

[thumbnail of Gitau_PhD_Thesis_2023.pdf] PDF (thesis)
Download (24MB)
[thumbnail of Gitau_Thesis booklet_2023.pdf] PDF (booklet)
Download (520kB)

Abstract in Hungarian

A mikroalgákból bioaktív vegyületek széles skálája nyerhető ki, melyek különféle iparágakban alkalmazhatók. Bár felmerült, hogy a zöldalga biomassza a mezőgazdaságban zöldtrágyaként is használható lehet, a biofertilizálószerként való alkalmazás gazdaságossága erősen kétséges. Tanulmányom célja annak felmérése volt, hogy a mikroalgák mint természetes biostimuláns szerek felhasználhatóak-e a növények növekedésének elősegítésére. A munka során az eukarióta zöldalga referenciatörzs C. reinhardtii-t és két Chlorella törzset választottam. Korábbi publikációk alapján a Chlorella extraktumok elősegítik a növények növekedését, viszont keveset tudunk a Chlamydomonas algák növényi növekedésserkentő hatásairól. Elemeztem az algatörzsek közötti különbségeket, célom volt megérteni, hogy van-e törzsspecifikus növekedésserkentő hatásuk a kiválasztott növényekre. Megvizsgáltam az algák növényi hormon- és EPS (extrapoliszacharid) termelő képességét. Mindegyik alkalmazott törzs termelt auxint (bár eltérő mennyiségben), de csak az egyik Chlorella törzs termelt kimutatható mennyiségű EPS-t. Vizsgálataim során a mikroalgákat talajba juttatva és közvetlenül a növényekre permetezve is alkalmaztam, majd részletesen elemeztem és számszerűsítettem a növények növekedésére gyakorolt hatásukat. Két növényt használtam két filogenetikailag távoli családból. A Medicago truncatula egy modellnövény a hüvelyesek családjából, míg a másik a paradicsom haszonnövény (Solanum lycopersicum), a burgonyafélék családjának a képviselője. A korábbi ismert vizsgálatoktól eltérően az algák biomasszájából nem készítettem kivonatot. A biomasszát begyűjtöttem, víztelenítettem, illetve egyes kísérletekben a tápközeggel együtt is alkalmaztam. Ez az előkészítési mód egyszerűnek és környezetbarátnak, mindemellett olcsónak is bizonyult. Lombpermetezéshez az alga biomasszát folyékony nitrogén alatt homogenizáltam, majd vízben oldottam. Megfigyeltem, hogy a Chlorella sp. MACC-38 nem gyakorolt szignifikáns hatást a M. truncatula növényre, míg a Chlorella sp. MACC-360 és a C. reinhardtii egyértelmű biostimuláns hatást mutattak. Ezért a továbbiakban a fent említett két törzzsel folytattam a vizsgálatokat paradicsomon is. A Chlorella sp. MACC-360 kezelés a paradicsom virágzását a kontrollhoz képest szignifikánsan előrébb hozta időben, és mindkét mikroalga növelte a levél pigmenttartalmát mindkét modellnövény esetében. A mikroalgák hatására megnövekedett a levélméret M. truncatula növényeken. A paradicsom terméseinek átmérője megnőtt, bár az összes terméshozam nem változott. A Chlorella sp. MACC-360-nal kezelt paradicsom növényeken szignifikáns korai virágzási fenotípust azonosítottam. Ennek hátterének megértéséhez teljes transzkriptom analízist végeztem a növények virágbimbóin, a virágok nyílása előtti állapotban. Az eredmények alapján az algakezelés a növények szisztémás rezisztenciájában szerepet játszó gének indukcióját okozta. Érdekes módon az ismert virágzásért felelős gének nem mutattak specifikus expresszióváltozást. A paradicsom rizoszféra minták metagenom elemzése megnövekedett fajdiverzitást mutatott a mikroalgákkal kezelt mintákban a kontrollokhoz képest, bár ez a különbség nem volt szignifikáns. A mikroalga kezelés specifikusan növelte a Limnobacter és további ismert növekedést serkentő baktériumok relatív abundanciáját a rizoszférában. Továbbá az Ascomycota gombák esetében is relatív abundancia növekedés volt megfigyelhető algakezelés hatására. A kontroll mintákban hiányzott az Ascomycota, és nagy mennyiségben tartalmaztak olyan patogén baktériumokat, mint például a burgonyavarasodás betegségért felelős Streptomyces sp. LBUM 1475.

Abstract in foreign language

Microalgae are ubiquitous photosynthetic microorganisms found in nature. They have been reported to synthesize many bioactive chemicals that stimulate plant development. Our experiments aimed to examine the effects of three selected strains of eukaryotic green microalgae on plant growth. Two Chlorella species (Mosonmagyaróvár Algal Culture Collection (MACC)-360 and MACC-38) and a Chlamydomonas reinhardtii strain (cc124) were examined in Medicago truncatula, A17 ecotype, in the first portion of our investigation. First, using growth curves and microscopy, the growth patterns, cell size, and morphology of the microalgal strains were determined. In addition, their ability to synthesize auxins was evaluated. In the greenhouse, M. truncatula was grown in pots containing a mixture of vermiculite and soil (1:3) with a clay layer at the bottom. Living algae cells were applied to the plants using the soil drench method. The plants' physiological reactions to adding algal biomass were comprehensively studied. Microalgae substantially boosted the plant's stem length, leaf size, fresh weight, number of flowers, and pigment content. For most of the investigated factors, there was a strain-specific effect. Overall, the application of Chlorella sp. MACC-360 resulted in more robust plants with greater fresh biomass, larger leaves, and more flowers/pods than the control, which received the same total nutrients. In the second phase of the investigation, the biostimulant effects of Chlorella sp. MACC-360 and C. reinhardtii cc124 on Solanum lycopersicum (tomato) were studied. This study's first purpose was to determine whether the two strains had biostimulant effects on tomato plants. The significance of application mode and timing (plant age) was also studied. Thirdly, the strain-specific effects of the two algal strains were evaluated. Finally, transcriptome and metagenomic analyses were conducted to identify the molecular effect of algae and the microbial community of the rhizosphere. Tomatoes were grown in pots with a clay layer at the bottom and a mixture of soil and vermiculate (2:1). In two sets of trials, living algae and algal extract and living algae and spent media plus extracts were applied to the soil and plant leaves, respectively. In the first group, the culture suspension (treatment A) was centrifuged, the algae pellet was re-suspended in water to make (Treatment B), and this was applied weekly to the soil, while the algae extract (cell disrupted algae suspension – Treatment C) was sprayed on the leaves bi-weekly. Analyses were conducted on the blooming process, plant morphology, fruit characteristics, and pigment content. In the second set of tests, culture suspension (A) was administered weekly to the soil, and C was sprayed bi-weekly on the leaves. The kinetics of flowering, reproductive capability, and photosynthetic characteristics were investigated. Both algal strains enhanced the leaf pigments, fruit weight, and fruit diameter. The age of the plant at the onset of treatment was a significant determinant of the outcome; treatments initiated later (week 5) produced superior results than those initiated at a juvenile level (week 1). Chlorella sp. MACC-360 stimulated early blooming and fruit development, whereas C. reinhardtii cc124 greatly slowed these processes. Chlorella facilitated the transformation of light energy into chemical energy, whereas Chlamydomonas boosted the protection of photosynthetic parameters. Both strains increased leaf thickness and leaf temperature differential. Both algal strains enhanced crucial agronomically useful tomato processes. The upregulation of genes involved in systemic resistance demonstrated that microalgae readied plants to respond to abiotic stress and pathogen attacks, as evidenced by the transcription data. According to soil metagenomics research results, algae influenced the construction of the tomato rhizosphere microbiome. In soils saturated with microalgae, the number of Ascomycota fungus, Streptomyces, Brevundimonas, and other helpful bacteria that provided plant nutrition and defense against dangerous microbes increased.

Item Type: Thesis (Doctoral thesis (PhD))
Creators: Gitau Margaret
Supervisor(s):
Supervisor
Position, academic title, institution
MTMT author ID
Maróti Gergely
ELKH Szegedi Biológiai Kutatóközpont, Növénybiológiai Intézet
10003187
Subjects: 01. Natural sciences > 01.06. Biological sciences > 01.06.10. Plant sciences, botany > 01.06.10.11. Plant biology
01. Natural sciences > 01.06. Biological sciences > 01.06.01. Cell biology, microbiology > 01.06.01.16. Algology
01. Natural sciences > 01.06. Biological sciences > 01.06.01. Cell biology, microbiology > 01.06.01.20. Symbiosis
Divisions: Doctoral School of Biology
Discipline: Natural Sciences > Biology
Language: English
Date: 2023. May 19.
Item ID: 11631
MTMT identifier of the thesis: 34109755
doi: https://doi.org/10.14232/phd.11631
Date Deposited: 2023. Mar. 02. 08:28
Last Modified: 2023. Aug. 24. 14:36
Depository no.: B 7215
URI: https://doktori.bibl.u-szeged.hu/id/eprint/11631
Defence/Citable status: Defended.

Actions (login required)

View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year