La pirazolotriazina pseudoiodinina naturale di Pseudomonas mosselii 923 inibisce i patogeni batterici e fungini delle piante

Nature Communications volume 14, numero articolo: 734 (2023) Citare questo articolo

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I prodotti naturali in gran parte prodotti da microrganismi che vivono nel suolo simili a Pseudomonadi sono una fonte costante di metaboliti antimicrobici e pesticidi. Qui riportiamo l'isolamento del ceppo Pseudomonas mosselii 923 dai suoli della rizosfera di riso delle risaie, che inibiscono specificamente la crescita dei patogeni batterici delle piante specie Xanthomonas e del patogeno fungino Magnaporthe oryzae. Il composto antimicrobico viene purificato e identificato come pseudoiodio utilizzando spettri di massa ad alta risoluzione, risonanza magnetica nucleare e diffrazione di raggi X da cristallo singolo. La mutagenesi casuale dell'intero genoma, l'analisi del trascrittoma e i test biochimici definiscono il cluster biosintetico della pseudoiodio come psdABCDEFG. Si propone che la biosintesi della pseudoiodionina inizi dalla guanosina trifosfato e la 1,6-didesmetiltoxoflavina è un intermedio biosintetico. La mutagenesi del trasposone indica che GacA è il regolatore globale. Inoltre, due piccoli RNA non codificanti, rsmY e rsmZ, regolano positivamente la trascrizione della pseudoiodio e i regolatori di stoccaggio del carbonio CsrA2 e CsrA3, che regolano negativamente l'espressione di psdA. Un aumento di 22,4 volte nella produzione di pseudoiodio si ottiene ottimizzando i mezzi utilizzati per la fermentazione, sovraesprimendo l'operone biosintetico e rimuovendo i siti di legame CsrA. Sia il ceppo 923 che la pseudoiodio purificata nella planta inibiscono i patogeni senza influenzare il riso ospite, suggerendo che la pseudoiodio può essere utilizzata per controllare le malattie delle piante.

Il riso (Oryza sativa L.) è una coltura di base di importanza mondiale ed è considerata una coltura strategica per la sicurezza alimentare dall’Organizzazione per l’Alimentazione e l’Agricoltura (FAO)1; sfortunatamente, la produzione di riso è ostacolata da molteplici vincoli, tra cui malattie devastanti, come la peronospora batterica (BLB), la striatura fogliare batterica (BLS) e l'esplosione del riso che sono provocate da Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo), X. oryzae pv. oryzicola (Xoc) e Magnaporthe oryzae, rispettivamente2,3. Attualmente, la coltivazione di varietà di riso con geni di resistenza alle malattie (R) sembra essere un'opzione migliore per controllare X. oryzae rispetto ad altri schemi di gestione2,4; tuttavia, le cultivar piantate in Cina sono comunemente sensibili agli agenti patogeni5. Sebbene fungicidi e battericidi chimici siano spesso utilizzati per controllare le malattie del riso6, il loro utilizzo ha provocato inquinamento, resistenza ai farmaci e recrudescenza di agenti patogeni7,8. Un approccio di controllo rispettoso dell’ambiente è il potenziale utilizzo di batteri antagonisti come agenti di biocontrollo (BCA) in grado di sopprimere i patogeni producendo metaboliti secondari bioattivi tra cui antibiotici, siderofori e composti volatili9.

I prodotti naturali (NP) sono una fonte consistente di metaboliti antimicrobici e di farmaci e sono in gran parte prodotti da microrganismi che vivono nel suolo10,11. Le specie Pseudomonas sono batteri gram-negativi che persistono nel suolo, nell'acqua, negli animali e nella rizosfera delle piante. Gli pseudomonadi producono molte NP antimicrobiche, tra cui fenazina, derivati pirrolici, 2,4-diacetilfloroglucinolo (2,4-DAPG) e sostanze promotrici della crescita, che li rendono ben adattati allo stress ambientale e adatti come BCA dei patogeni vegetali12. Molti metaboliti secondari in Pseudomonas sono regolati dal sistema a due componenti GacS/GacA (TCS)13, piccoli RNA non codificanti (sRNA) e proteine CsrA/RsmA14. Con l’avvento del sequenziamento genomico, sono stati scoperti numerosi antimicrobici nel microbioma globale15 con benefici per l’agricoltura moderna16 e la salute umana17. Tuttavia, il continuo sviluppo di agenti patogeni multiresistenti18 ha aumentato l’urgenza di scoprire nuove NP per il controllo delle malattie batteriche e fungine delle colture.

I membri della famiglia dell'eterociclo pirazolo[4,3-e][1,2,4]triazina presente in natura sono stati isolati e caratterizzati negli ultimi 40 anni19, inclusi fluvioli20, nostocina A21 e pseudoiodinina22. La struttura pseudoiodio contiene una porzione 1,2,4-triazina fusa con un anello pirazolico e due gruppi metilici. I derivati della famiglia delle pirazolotriazine mostrano un'ampia gamma di funzioni biologiche tra cui attività antitumorali, antivirali e antibatteriche23,24. In particolare, la pseudoiodio ha mostrato forti attività antioplutiche contro il sarcoma25. È interessante notare che la via biosintetica e i cluster di geni biosintetici (BGC) della pseudoiodio non sono stati chiariti e rimangono una ricca risorsa per la biologia sintetica e lo sviluppo di derivati bioattivi.

0.05). e, f Disease lesions areas on field-grown rice inoculated with strain 923 and (e) Xoo PXO99A or (f) Xoc RS105. Lesion areas were determined at 15 dpi (n = 15 independent leaves, means ± SD), ***P < 0.001, ***P = 1.2×10−15, = 1.3×10−14 in sequence of e; ***P < 0.001, ***P = 4.7 × 10−13, = 3.2 × 10−11 in sequence of f; ns, not significant (P > 0.05). The statistical significance of the lesion areas inoculated with Xoc or Xoo was determined using the LSD test method and one-way ANOVA; The center bar represents the mean, and Min to Max of box and whiskers was used. The experiments were repeated three times independently with similar results./p>

5 μM caused a significant reduction in lesion size (Supplementary Fig. 3b, c), indicating that pseudoiodinine effectively inhibits the growth of Xoo PXO99A and Xoc RS105 in rice tissue. Interestingly, we observed that pseudoiodinine also significantly reduced lesion area of rice blast caused by the fungus M. oryzae R01-1 (Supplementary Fig. 12). The above data demonstrate that the compound is a promising biopesticide both for bacterial and fungal diseases in rice./p>

5 μM (Supplementary Fig. 3b, c)./p> 50%. The whole genome of 923 was sequenced using the Illumina Miseq PacBio sequencing platform at Personalbio (Shanghai, China). Average nucleotide identity (ANI) values were calculated using the J Species WS online service64. To determine the precise phylogenetic position of strain 923, all publicly available Pseudomonas genome sequences and related strains were retrieved from the NCBI GenBank database and included in the phylogenetic analyses according to the Type Genome Server (TYGS) (https://tygs.dsmz.de). The whole-genome sequence of strain 923 was deposited in the NCBI BioProject Database (BioProject ID: PRJNA826312)./p>100/plate). Above inoculation experiments were repeated three times independently./p>Tnp Transposome™ Kit (Lucigen, TSM08KR) was electroporated into 923 competent cell, then screening mutants that absolutely losing or partially attenuated antagonistic activity against Xoo PXO99A. The rescued cloning of the EZ-Tn5 < R6Kγori/KAN-2> Transposon insertion site in the 923 genomic DNA was given according to the manufacturer's protocols./p>

1 were used to establish significance. Volcano plots were created using the R language ggplots2 package and plot_volcano from soothsayer (https://github.com/jolespin/soothsayer) in Python v. 3.6.6. Heatmaps were produced by R language and the Pheatmap software package (https://rdrr.io/cran/pheatmap/). Euclidean and complete linkage methods were used to calculate distance and clustering, respectively./p>