Fungos endofíticos em soja (Glycine max): diversidade, biocontrole de fitopatógenos e análise de metabólitos

Abstract

Os fungos endofíticos são micro-organismos que vivem no interior das plantas, colonizando os espaços intercelulares de todos os órgãos e tecidos, sem causar aparentemente qualquer dano ao hospedeiro. Alguns fungos endofíticos apresentam atividade antagonista a fitopatógenos, por meio da competição por nutrientes e espaço ou pela produção de antimicrobianos. Além de poderem exercer diversas funções importantes em benefício do hospedeiro, os fungos endofíticos são potencialmente úteis na agricultura e indústria como fonte de substâncias de interesse econômico, como enzimas, substâncias antimicrobianas entre outros compostos bioativos relacionados com o metabolismo fúngico. Estudos vêm demostrando que a planta Glycine max representa um reservatório para espécies fúngicas endofíticas, incluindo decompositoras, produtoras de compostos bioativos, biocontroladoras de patógenos e espécies fitopatogênicas. O presente trabalho teve como objetivos: (I) isolar fungos endofíticos de folhas e raízes de G. max, identificá-los por meio do ITS-PCR, que correspondente ao sequenciamento dos espaçadores de transcrito interno (ITS) e por taxonomia morfológica; (II) estudar a diversidade dos fungos isolados em meio de cultura e por meio de eletroforese em gel de gradiente desnaturante (DGGE); (III) avaliar a atividade de fungos biocontroladores isolados de G. max contra fitopatógenos selecionados (Phomopsis sp., Sclerotinia sclerotorium, Fusarium oxysporium, Fusarium solani e Colletotrichum trucatum); (IV) extrair os metabólitos de um fungo endofítico selecionado no teste de biocontrole de fitopatógenos (Guignardia mangiferae) e analisar os compostos antimicrobianos por meio de fracionamento em coluna de sílica gel; (V) avaliar as diferenças existentes entre isolados do fungo endofítico G. mangiferae coletados de dois diferentes hospedeiros (G. max e Vaccinium virgatum) e regiões geográficas (Brasil e Nova Zelandia) em relação ao perfil metabólico e metaboloma. O trabalho foi iniciado com o isolamento de fungos endofíticos de G. max, que foram caracterizados com base em características morfológicas e moleculares (regiões ribossomais ITS1, 5.8 e ITS2). Foram isolados 229 fungos de G. max, sendo 187 isolados nas folhas e 42 nas raízes. Fungos como Ampelomyces sp., Cladosporium cladosporioides, Colletotricum gloeosporioides, Diaporthe helianthi, G. mangiferae, Phoma sp. foram isolados mais frequentemente das folhas, enquanto que nas raízes houve predominância dos fungos F. oxysporum, F. solani e Fusarium sp. Na análise dos fungos isolados, os índices de riqueza correspondentes ao índice de Simpson, Shannon e equitabilidade apresentaram os maiores valores para as folhas em relação às raízes, enquanto o índice de dominância foi maior nas raízes. Entretanto, a avaliação por meio do perfil de bandas gerados por meio da técnica PCR-DGGE, indicou que a riqueza era maior nas raízes do que nas folhas. Por meio dos testes de cultura pareada entre os fungos endofíticos isolados de G. max e fungos fitopatogênicos, foi observado que 38, 20% dos isolados inibiram o crescimento de um ou mais fitopatógenos, sendo um isolado da espécie G. mangiferae capaz de inibir o crescimento de S. sclerotorium e Phomopsis sp. O Fungo G. mangiferae foi então selecionado para a análise de seus metabólitos e após a extração metabólica, a atividade antifúngica de G. mangiferae foi perdida. Entretanto foi constatada atividade antibacteriana contra Staphylococcus aureus e Lactococcus lactis. Essa fração contendo atividade antibacteriana foi analisada por LC-MS e não foram detectadas massas moleculares específicas para compostos antibacterianos já descritos e isolados de G. mangiferae (ácido guignárdico e guignardone I). Na análise de perfil metabólico e metaboloma por meio de GC-MS e LC-MS entre os dois isolados de G. mangiferae, isolados de diferentes hospedeiros e regiões geográficas, variações metabólicas foram verificadas entre os dois isolados, tanto pela análise dos cromatogramas de íons quanto nos compostos detectados e por meio da análise dos componentes principais. Por meio do perfil metabólico e intensidade relativa de cada íon específico detectado entre os dois isolados da espécie G. mangiferae, foi possível verificar que o fungo F75 (G. max, Brasil) produziu em maior quantidade o hormônio vegetal GABA e 2,3-butanodiol (composto usado na produção de borracha sintética, solventes e drogas farmacêuticas), enquanto o isolado ICMP 15453(V. virgatum, Nova Zelândia) apresentou uma maior produção para o antifúngico benzofurano. Além disso, foi detectado uma grande quantidade de ácido fumárico e málico em ambos os isolados. Esses resultados demonstram que existe uma grande diversidade na comunidade fúngica endofítica associada a G. max e que alguns dentre os fungos endofíticos são potencialmente promissores como controladores de fungos fitopatógenos e produtores de compostos antimicrobianos, bioativos e de interesse industrial. Além disso, foi verificado que a mesma espécie isolada de hospedeiros e regiões diferentes apresenta variações em seus metabolismos.

The endophytic fungi are microorganisms that live inside the plants, colonizing the intercellular spaces of all organs and tissues, without apparently causing any damage to the host. Some endophytic fungi show activity as phytopathogens controller, through competition for nutrients and space or for the production of antibiotics. In addition fungi perform several important functions to the host, the endophytic fungi are potentially useful in agriculture and industry to become a viable alternative for obtaining substances of economic interest, such as enzymes, antibiotics, and other bioactive compounds related to the fungal metabolism. Studies have demonstrated that plant Glycine max is a reservoir for endophytic fungal species and between these species there are decomposers, producers of bioactive compounds, biocontrollers of pathogens and phytopathogenic species. This study aimed to (I) isolate endophytic fungi G. max leaves and roots, identify them by ITS-PCR, which corresponds to the internal transcribed spaces (ITS) and morphological taxonomy; (II) to study the diversity of fungi isolated in culture medium and by denaturing gradient gel elecrophoresis (DGGE); (III) to evaluate the activity of G. max isolated biocontrollers fungi against phytopathogens (Phomopsis sp., Sclerotinia sclerotorium, Fusarium oxysporium, Fusarium solani and Colletotrichum trucatum); (IV) to extract metabolites of the endophytic fungus selected in biocontrol of phytopathogens test (Guignardia mangiferae) and to analyze the antimicrobial compounds by fractionation on silica gel column; (V) to evaluate the differences between isolates of endophytic fungus G. mangiferae collected from different hosts (G. max and Vaccinium virgatum) and geographical regions (Brazil and New Zealand) in relation to the metabolic profile and metabolome. The study was initiated with the isolation of endophytic fungi from G. max, which were characterized based on morphological and molecular characteristics (ribosomal regions ITS1, 5.8 and ITS2). 229 fungi were isolated from G. max, 187 being isolated in leaves and 42 in roots. Fungi as Ampelomyces sp., Cladosporium cladosporioides, Colletotricum gloeosporioides, Diaporthe helianthi, G.mangiferae and Phoma sp. were more frequently isolated from the leaves while the roots predominated fungi like F. oxysporum, F. solani and Fusarium sp. In the analysis of fungi isolated, the richness, Simpson, Shannon and equitability indeces showed the highest values for the leaves in relation to the roots, while the dominance indices were higher in the roots. However, the evaluation through band profile generated by PCR-DGGE technique showed that the richness has been higher in roots than in leaves. Through the paired culture tests between endophytic fungi isolated from G. max and phytopathogenic fungi it was observed that 38.20% were able to inhibit the growth of phytopathogens, one isolated from the species G. mangiferae was able to inhibit the growth of S. sclerotorium and Phomopsis sp. The fungus G. mangiferae was selected for the analysis of metabolites and after the metabolic extraction, the antifungal activity of G. mangiferae was lost. However it was detected antibacterial activity against Staphylococcus aureus and Lactococcus lactis. This fraction containing antibacterial activity was analyzed by LC-MS and specific compounds described and isolated from G. mangiferae (guignardic acid and guignardone I) have not been detected in antibacterial fraction. In the metabolic profile and metabolome analysis by GC-MS and LC-MS between the two isolates of G. mangiferae isolated from different hosts and geographic regions, metabolic changes were observed between the two isolated both through the ion chromatograms and the principal components analysis. Through the metabolic profile and relative intensity of each specific ions detected between two isolates species of the G. mangiferae, the fungus F75 (G. max, Brazil) produced the largest amount of plant hormone GABA and 2,3-butanediol (compound used in synthetic rubber production, solvents and pharmaceutical drugs) while ICMP 15453 (V. virgatum, New Zealand) isolate had a higher production for the antifungal benzofuran. In addition, has been detected a large production of fumaric and malic acid in both isolates. These results demonstrate that there is a great diversity in fungal community associated with G. max and that these endophytic fungi are potentially promising as biocontrollers of phytopathogens and producers of antimicrobial and bioactive compounds. In addition, we find that the same species isolated from different hosts and regions have variations in their metabolisms.