Phytostimulation Activity of Methylobacterium dichloromethanicum subsp. dichloromethanicum DM4 and Its groEL2 Gene Knockout Mutant

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

For the first time, the genome of the dichloromethane destructor Methylobacterium dichloromethanicum subsp. dichloromethanicum DM4 was analyzed for the presence of genetic determinants indicating its potential as a plant growth stimulator, and the ability of this strain and its groEL2 gene mutant for the to improve plant growth was determined. The genome of strain DM4 contains genes involved in the biosynthesis of phytohormones (indolyl-3-acetic acid and cytokinins), siderophores, carotenoids, poly-β-hydroxybutyrate, hydrolytic enzymes, as well as enzymes involved in the degradation of D-cysteine, protection from UV-damage and phosphate solubilization. Inoculation of lettuce sprouts by strain DM4 had a positive effect on plant growth and development, and increased adaptive defense and resistance to short-term temperature stress in plant growth experiments. Comparative analysis of the production of auxins, siderophores, hydrolytic enzymes, D-cysteine desulfohydrase activity, and the ability to solubilize insoluble phosphates in strains DM4 and DM4 ΔgroEL2 showed that disruption of the groEL2 gene led to a decrease in the synthesis of indole derivatives and phosphate solubilizing ability in the mutant strain. Assessment of the impact of inoculation of lettuce plants by these strains also demonstrated a decrease in the phytostimulation potential of DM4 ΔgroEL2 compared to the original strain. The data obtained indicate that the chaperonin GroEL2 in M. dichloromethanicum subsp. dichloromethanicum DM4 indirectly affects its phytostimulation activity.

Full Text

Restricted Access

About the authors

N. V. Agafonova

Skryabin Institute of Biochemistry and Physiology of Microorganisms, Russian Academy of Sciences, Federal Research Center Pushchino Scientific Center for Biological Research of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: nadyagafonova@gmail.com
Russian Federation, Pushchino, 142290

G. A. Ekimova

Skryabin Institute of Biochemistry and Physiology of Microorganisms, Russian Academy of Sciences, Federal Research Center Pushchino Scientific Center for Biological Research of the Russian Academy of Sciences

Email: nadyagafonova@gmail.com
Russian Federation, Pushchino, 142290

Y. E. Firsova

Skryabin Institute of Biochemistry and Physiology of Microorganisms, Russian Academy of Sciences, Federal Research Center Pushchino Scientific Center for Biological Research of the Russian Academy of Sciences

Email: nadyagafonova@gmail.com
Russian Federation, Pushchino, 142290

M. L. Torgonskaya

Skryabin Institute of Biochemistry and Physiology of Microorganisms, Russian Academy of Sciences, Federal Research Center Pushchino Scientific Center for Biological Research of the Russian Academy of Sciences

Email: nadyagafonova@gmail.com
Russian Federation, Pushchino, 142290

References

  1. Trotsenko Y.A., Khmelenina V.N. // Microbiology (Moscow). 2002. V. 71. P. 123–132. https://doi.org/10.1023/A:1015183832622
  2. Vuilleumier S. // Biotechnology for the Environment: Strategy and Fundamentals. / Eds. S. N. Agathos, W. Reineke.: Springer Dordrecht , 2002. P. 105–130. https://doi.org/10.1007/978-94-010-0357-5_7
  3. Torgonskaya M.L., Doronina N.V., Hourcade E., Trotsenko Y.A., Vuilleumier S. // J. Basic Microbiol. 2011. V. 51. P. 296–303. https://doi.org/10.1002/jobm.201000280
  4. Vorholt J.A. // Nat. Rev. Microbiol. 2012. V. 10. P. 828–840. https://doi.org/10.1038/nrmicro2910
  5. Fall R., Benson A.A. // Trends Plant Sci. 1996. V. 1. № 9. P. 296–301. https://doi.org/10.1016/S1360-1385(96)88175-0
  6. Федоров Д.Н., Доронина Н.В., Троценко Ю.А. // Микробиология. 2011. Т. 80. № 4. С. 435–446.
  7. Агафонова Н.В., Капаруллина Е.Н., Доронина Н.В., Троценко Ю.А. // Микробиология. 2014. Т. 83. № 1. С. 28–32. https://doi: 10.7868/S0026365614010029
  8. Kwak M.J., Jeong H., Madhaiyan M., Lee Y., Sa T.M., Oh T.K., Kim J.F. // PloS ONE. 2014. V. 9. P. e106704. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0106704
  9. Alessa O., Ogura Y., Fujitani Y., Takami H., Hayashi T., Sahin N., Tani A. // Front Microbiol. 2021. V. 12. P. 740610. https://doi.org/10.3389/fmicb.2021.740610
  10. Kumar C.M., Mande S.C., Mahajan G. // Cell Stress Chaperones. 2015. V. 20. № 4. P. 555–574. https://doi.org/10.1007/s12192-015-0598-8
  11. Hayer-Hartl M., Bracher A., Hartl F.U. // Trends Biochem. Sci. 2016. V. 41. P. 62–76. https://doi.org/10.1016/j.tibs.2015.07.009
  12. Mizobata T., Kawata Y. // Biophys. Rev. 2018. V. 10. P. 631–640. https://doi.org/10.1007/s12551-017-0332-0
  13. Fischer H.M., Schneider K., Babst M., Hennecke H. // Arch. Microbiol. 1999. V. 171. P. 279–289. https://doi.org/10.1007/s002030050711
  14. Bittner A.N., Foltz A., Oke V. // J. Bacteriol. 2007. V. 189. P. 1884–1889. https://doi.org/10.1128/jb.01542-06
  15. Torgonskaya M. L., Firsova Y.E., Ekimova G.A., Grouzdev D.S., Agafonova N.V. // Microbiology (Moscow). 2024. V. 93. P. 14–27. https://doi.org/10.1134/S0026261723601768
  16. Doronina N.V, Trotsenko Y.A., Tourova T.P., Kuznetsov B.B., Leisinger T. // Syst. Appl. Microbiol. 2000. V. 23. P. 210–218. https://doi.org/10.1016/S0723-2020(00)80007-7
  17. Firsova Y.E., Torgonskaya M.L. // Antonie van Leeuwenhoek. 2020. V. 113. P. 101–116. https://doi.org/10.1007/s10482-019-01320-5
  18. Green P.N., Ardley J.K. // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2018. V. 68. P. 2727–2748. https://doi.org/10.1099/ijsem.0.002856
  19. Firsova Y.E., Torgonskaya M.L., Trotsenko Y.A. // Microbiology (Moscow). 2015. V. 84. P. 796–803. https://doi.org/10.1134/S002626171506003X
  20. Aziz R.K., Bartels D., Best A.A., De Jongh M., Disz T., Edwards R.A. et al. // BMC genomics. 2008. V. 9. P. 1–15. https://doi.org/10.1186/1471-2164-9-75
  21. Tatusova T., DiCuccio M., Badretdin A., Chetvernin V., Nawrocki E.P. // Nucleic Acids Res. 2016. V. 44. P. 6614–6624. https://doi.org/10.1093/nar/gkw569
  22. Kanehisa M., Sato Y., Kawashima M., Furumichi M., Tanabe M. // Nucleic Acids Res. 2016. V. 44. P. D457–D462. https://doi.org/10.1093/nar/gkv1070
  23. Капаруллина Е.Н., Доронина Н.В., Мустахимов И.И., Агафонова Н.В., Троценко Ю.А. // Микробиология. 2017. Т. 86. № 1. С. 107–113. https://doi.org/10.7868/S0026365617010086
  24. Gordon S.A., Weber R.P. // Plant Physiol. 1951. V. 26. № 1. P. 192–195. https://doi.org/10.1104/pp.26.1.192
  25. Schwyn B., Neilands J.B. // Anal. Biochem. 1987. V. 160. № 1. P. 47–56. https://doi.org/10.1016/0003-2697(87)90612-9
  26. Wang S., Wang J., Zhou Y., Huang Y., Tang X. // Curr. Microbiol. 2022. V. 79. № 2. P. 66. https://doi.org/10.1007/s00284-021-02755-8
  27. Rodríguez H., Gonzalez T., Selman G. // J. Biotechnol. 2000. V. 84 (2). P. 155–161. https://doi.org/10.1016/S0168-1656(00)00347-3
  28. Son H.J., Park G.T., Cha M.S., Heo M.S. // Bioresour. Technol. 2006. V. 97. № 2. P. 204–210. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2005.02.021
  29. Jiang L., Seo J., Peng Y., Jeon D., Park S.J., Kim C.Y. et al. // AMB Express. 2023. V. 13. P. 9. https://doi.org/10.1186/s13568-023-01514-1
  30. Siegel M. // Anal. Biochem. 1965. V. 11. P. 126-132. https://doi.org/10.1016/0003-2697(65)90051-5
  31. Wintermans J.F.G.M., De Mots A. // Biochim. Biophys. Acta. 1965. V. 109. P. 448–453.
  32. Агафонова Н.В., Доронина Н.В., Троценко Ю.А. // Прикл. биохимия и микробиология. 2016. Т. 52. №. 2. С. 210–216. https://doi.org/10.7868/S0555109916020021
  33. Чернядьев И.И. // Прикл. биохимия и микробиология. 2001. Т. 37. С. 466–471.
  34. Pine L., Hoffman P.S., Malcolm G.B., Benson R.F., Keen M.G. // J. Clinic. Microbiol. 1984. V. 20. P. 421–429. https://doi.org/10.1128/jcm.20.3.421-429.1984
  35. Bradford M.M. // Anal. Biochem. 1976. V. 72. P. 248–254. https://doi.org/10.1016/0003-2697(76)90527-3
  36. Costa H., Gallego S.M., Tomaro M.L. // Plant Sci. 2002. V. 162. P. 939–945. https://doi.org/10.1016/S0168-9452(02)00051-1
  37. Vuilleumier S., Chistoserdova L., Lee M.C., Bringel F., Lajus A. et al. // PLoS ONE. 2009. V. 4. P. e5584. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0005584
  38. Frébort I., Kowalska M., Hluska T., Frébortová J., Galuszka P. // J. Exp. Bot. 2011. V. 62. P. 2431–2452. https://doi.org/10.1093/jxb/err004
  39. Arif Y., Hayat S., Yusuf M., Bajguz A. // Plant Physiol. Biochem. 2021. V. 158. P. 372–384. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2020.11.045
  40. Jha P., Panwar J., Jha P.N. // J. Environ. Sustain. 2018. V. 1. P. 25–38. https://doi.org/10.1007/s42398-018-0011-5
  41. Verma V.C., Singh S.K., Prakash S. // J. Basic Microbiol. 2011. V. 51. P. 550–556. https://doi.org/10.1002/jobm.201000155
  42. Ghavami N., Alikhani H.A., Pourbabaei A.A., Besharati H. // J. Plant Nutr. 2017. V. 40. № 5. P. 736–746. https://doi.org/10.1080/01904167.2016.1262409
  43. Bianco C., Imperlini E., Defez R. // Plant Signal Behav. 2009. V. 4. P. 763–765. https://doi.org/10.1093/jxb/erp140
  44. Spaepen S., Das F., Luyten E., Michiels J., Vanderleyden J. // FEMS Microbiol. Lett. 2009. V. 291. P. 195–200. https://doi.org/10.1111/ j.1574-6968.2008.01453.x
  45. Федоров Д.Н., Бут С.Ю., Доронина Н.В., Троценко Ю.А. // Микробиология. 2009. Т. 78. № 6. С. 844–846.
  46. Patten C.L., Blakney A.J.C., Coulson T.J.D. // Crit. Rev. Microbiol. 2013. V. 39. P. 395–415. https://doi.org/10.3109/1040841X.2012.716819
  47. Lin H.R., Shu H.Y., Lin G.H. // Microbiol. Res. 2018. V. 216. P. 30–39. https://doi.org/org/10.1016/j.micres.2018.08.004
  48. Duca D.R., Glick B.R // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2020. V. 104. P. 8607–8619. https://doi.org/10.1007/s00253-020-10869-5
  49. Kunkel B.N., Johnson J.M.B. // Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 2021. V. 13. P. a040022. https://doi.org/10.1101/cshperspect.a040022
  50. Ivanova L.A., Zolotareva N.V., Ronzhina D.A., Podgaevskaya E.N., Migalina S.V., Ivanov L.A. // Flora. 2018. V. 239. P. 11–19. https://doi.org/10.1016/j.flora.2017.11.005
  51. Esteban R., Barrutia O., Artetxe U., Fernández‐Marín B., Hernández A., García‐Plazaola J.I. // New Phytologist. 2015. V. 206. P. 268–280. https://doi.org/10.1111/nph.13186
  52. Mittler R. // Trends Plant Sci. 2002. V. 7. P. 405–410. https://doi.org/10.1016/S1360-1385(02)02312-9
  53. Нарайкина Н.В., Синькевич М.С., Дерябин А.Н., Трунова Т.И. // Физиология растений. 2018. Т. 65. № 5. С. 340–347. https://doi.org/10.1134/S0015330318050226
  54. Кошкин Е.И. Физиология устойчивости сельскохозяйственных культур. М.: Дрофа, 2010. 638 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Distribution of categories of subsystems of cellular metabolism of M. dichloromethanicum subsp. dichloromethanicum DM4 based on the results of functional annotation according to the KEGG BlastKOALA (a) and RAST (b) databases.

Download (883KB)
Indexing metadata
3. 2. Phosphorus accumulation in the culture fluid (a) and optical density of cells (b) during cultivation of M. dichloromethanicum subsp. dichloromethanicum DM4 (1) and DM4 ΔgroEL2 (2) on a mineral medium with Ca3(PO4)2 as the only source of phosphorus.

Download (134KB)
Indexing metadata
4. 3. The activity of antioxidant protection enzymes catalase (a) and peroxidase (b), as well as the concentration of endogenous MDA (c) in lettuce plants inoculated with strains of M. dichloromethanicum subsp. dichloromethanicum DM4 and DM4 ΔgroEL2 and uninoculated (control), under normal conditions (1) and after exposure to temperature stress (2). Significant differences (p < 0.05) between the variants are marked with different letters.

Download (246KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».