Isolation and polyphasic characterization of a salt tolerant, plant growth promoting Nostoc sp. from rice paddies in the Ebro Delta

Abstract

L'estrès de salinitat i alcalinitat es deu a prevalença de les fluctuacions ambientals en els arrossars mediterranis al Delta de l'Ebre; Tanmateix, encara no s'han estudiat en relació amb els cianobacteris terrestres. Entre els diversos cianobacteris, diverses espècies han estat explorades com biofertilitzadors que promouen el creixement de les plantes per millorar el subministrament de nutrients i la tolerància a l'estrès biòtic i abiòtic. En aquesta tesi, diferents cianobacteris van ser aïllats dels arrossars per caracteritzar la seva tolerància a les condicions salines alcalines i per dur a terme una avaluació inicial d'una soca seleccionada com a biofertilitzador per a l'arròs cultivat en condicions salines. En el capítol I, descrivim la caracterització de cianobacteris aïllats de arrossars a l'Institut de Recerca i Tecnologia Agroalimentàries i Marquesa (Delta de l'Ebre, Espanya). Trenta gèneres de destral estaven aïllats de cianobacteris homocistics i hetrocístics. Segons el nostre coneixement, Nostoc paludosum, Nostoc linckia, Nostoc muscorum i Cylindrospermum tropicum es van registrar per primera vegada en aquesta regió. El capítol II tracta sobre la caracterització polifàsica de la diversitat dels trets del gènere Nostoc sota la influència de diferents factors ambientals. Apliquem una combinació de taxonomia moderna i clàssica juntament amb fluctuacions ambientals com la salinitat i l'alcalinitat i utilitzem eines avançades que poden donar llum sobre la complexa diversitat d'aquest gènere. Proporcionem una descripció polifàsica d'un Nostoc sp. (Soca UAB 206) mitjançant anàlisi morfològica (camp clar, fluorescència, contrast de fase, microscòpia TEM confocal i ultraestructural), anàlisi filogenètica (16s rRNA i regió del genoma de la ficocianina) i estudis ecofisiològics (creixement, anàlisi de l'evolució de l'oxigen, eficiència dels fotosistemes I i II i ficobilisomes). Al nostre entendre, aquesta és la primera descripció polifàsica dels cianobacteris en els arrossars del Delta de l'Ebre i la primera aplicació d'aquesta metodologia per a la descripció dels cianobacteris utilitzant diferents tipus de caracterització com a característiques diagnòstiques. XII El capítol III avalua l'efecte combinat de la salinitat (17 a 320 mM NaCl), l'alcalinitat (pHs 7 a 11) i l'edat dels cultius sobre l'aclimatació fisiològica d'un cianobacteri terrestre inexplorat, Nostoc sp. UAB 206. Analitzem el creixement, la fotosíntesi a llarg i curt termini, les activitats del fotosistema II i I, les operacions de ficobilisomes i la producció d'exopolisacàrids. La taxa màxima de creixement i l'activitat fotosintètica fou observada sota la combinació de salinitat de 80 mM i pH 11, en comparació amb el pH 9 i 7. L'augment de la salinitat no va tenir una influència considerable en la taxa de creixement fins a 160 mM a pH 9. L'anàlisi de les corbes de fotosíntesi-irradiància va mostrar que l'activitat màxima de fotosíntesi saturada de llum (Pmax) es va assolir a 17 mM salinitat i pH 11. L'anàlisi espectroscòpica (inclosa la microscòpia confocal) va mostrar que l'augment de la salinitat (80mM) va causar una major eficiència tant del fotosistema II com de l’I en condicions alcalines. L'anàlisi ultraestructural (TEM) va mostrar que les dimensions dels exopolisacàrids van augmentar en la combinació de salinitat de 80 mM i pH 11. En el capítol IV ens centrem en primer lloc en la selecció de varietats d'arròs adequades per a estudis d'estrès i tolerància a la salinitat basats en característiques agronòmiques. Caracteritzem la interacció arròs cianobacteri sota diferents subministraments de nitrogen (50 i 100%) i diferents condicions salines (17, 50 o 100 mM NaCl) en una varietat sensible a la sal (Copsemar). En aquesta interacció, es va observar una influència positiva i beneficiosa dels cianobacteris en la fotosíntesi. Aquest efecte positiu va ser més pronunciat en una baixa oferta de N

Salinity and alkalinity stress are the prevalent environmental fluctuations in the Mediterranean paddy fields in the Ebro Delta; however, they have not been studied as yet in relation to terrestrial cyanobacteria. Among the diverse cyanobacteria, several species have been explored as plant growth-promoting biofertilizers to improve nutrient supply and tolerance to biotic and abiotic stress. In this thesis, we isolated different cyanobacteria from paddy fields to characterize their tolerance to saline alkaline conditions and to make an initial evaluation of a selected strain as a biofertilizer for rice grown under saline conditions. In chapter I, we described characterisation of cyanobacteria isolated from paddy fields at the Institute of Agrifood Research and Technology and Marquesa (Delta Ebre, Spain). Thirty axenic genera of homocytous and hetrocytous cyanobacteria were isolated. To our best knowledge, Nostoc paludosum, Nostoc linckia, Nostoc muscorum, and Cylindrospermum tropicum were recorded for the first time in this region. Chapter II addresses polyphasic characterization of the diversity of the traits of the genus Nostoc under the influence of different environmental factors. We applied a combination of modern and classical taxonomy along with environmental fluctuation such as salinity and alkalinity and used advanced tools which may shed light into the complex diversity of this genus. We provide a polyphasic description of a Nostoc sp. (strain UAB 206) using morphological analysis (bright field, fluorescence, phase contrast, confocal and ultrastructural TEM microscopy), phylogenetic analysis (16s rRNA and the phycocyanin genome region) and ecophysiological studies (growth, oxygen evolution analysis, efficiency of photosystems I and II and phycobilisomes). As far as we know this is the first polyphasic description of cyanobacterium in the paddy fields of the Ebro Delta region and the first application of this methodology for description of cyanobacteria using different kind of characterization as diagnostic features. We evaluate the combined effect of salinity (17-320 mM NaCl), alkalinity (pHs7-11) and age of the cultures (from the first to fourth day after VIII inoculation, daily) on the physiological acclimation of an unexplored terrestrial cyanobacterium, Nostoc sp. UAB 206 in chapter III. We look at growth, long and short-term photosynthesis, photosystem II and I activities, phycobilisome operations and exopolysaccharide production. The maximum growth rate and photosynthesis activity observed under combination of 80 mM salinity and pH 11, compared to pH 9 and 7. Increasing salinity did not have any considerable influence on growth rate until 160 mM at pH 9. The analysis of photosynthesis-irradiance curves showed that the maximal light-saturated photosynthesis activity (Pmax) was attained at 17 mM salinity and pH 11. The spectroscopy analysis (including Confocal) showed that increasing salinity (80mM) caused higher efficiency of both photosystem II and I under alkaline conditions. The ultrastructural analysis (Transmission Electron Micrograph) showed that the exopolysaccharide dimensions increased at the combination 80 mM salinity and pH 11. In Chapter IV we first focused on the selection of suitable rice varieties for salinity stress and tolerance studies based on agronomic characteristics. With the selected sensitive cultivar, we then characterized the rice cyanobacterium interaction under different Nitrogen (50& 100 %) and different saline conditions (17, 50 or 100 mM NaCl) in a salt sensitive variet. In this interaction, we observed a positive and beneficial influence of the cyanobacterium on the photosynthesis of the salt-sensitive rice cultivar Copsemar. This positive effect was more pronounced under low N supply.