Actinobacteria from Brazilian biomes: biodiversity and potential use in agriculture

Neste estudo foi acessada a diversidade taxonômica e potencial biológico de actinobactérias isoladas de três biomas brasileiros com atividade antagônica contra Sclerotinia sclerotiorum. No total, 354 isolados foram obtidos da Coleção de Microrganismos de Importância Agrícola e Ambiental (CMAA) da Embrapa - Meio Ambiente. A atividade antagônica contra S. sclerotiorum foi avaliada por meio de ensaio in vitro. Foram selecionados 55 isolados, que apresentaram alguma porcentagem de inibição do crescimento de S. sclerotiorum. A identificação e análise da diversidade dos isolados, usando o gene 16S rRNA, demonstrou que 49 isolados são pertences ao genêro Streptomyces, quatro ao genêro Micromonospora, um a Kocuria e um a Actinomadura. Todas as actinobactérias apresentaram compatibilidade com bactérias benéficas do solo, exceto o isolado Caat P8 35. Três isolados, 1AS2a, Caat P5 55 e Caat P8 79, inibiram tanto o crescimento micelial quanto a germinação de escleródios de S. sclerotiorum. Os isolados Bc V1 06 e 3AS4 apresentaram hidrólise dos meios de fósforo orgânico e inorgânico. Com a ideia de conhecer o possível mecanismo de ação para solubilização de fósforo, o extrato aquoso do isolado 3AS4 foi submetido à análise de HPLC e o perfil cromatográfico obtido foi similar ácido glucônico. A avaliação desse isolado em casa de vegetação evidenciou diferenças na altura das plantas de soja, após seis semanas, quando inoculadas com a 3AS4. A relação Parte-aérea/Raiz foi significativamente maior quando adicionado o fósforo junto com a actinobactéria. Plantas sem adição de fósforo e com o isolado 3AS4 evidenciaram desenvolvimento similar na Parte-aérea/Raiz quando comparadas com plantas inoculadas com 40 kg ha-1 de PR e SPT. A avaliação da atividade enzimática evidenciou nove isolados capazes de hidrolisar quitina e laminarina como único substrato, sendo que três deles, 1AS2a, Caat P5 55 e Caat P8 79, foram avaliados quantitativamente, para a atividade enzimática quitinase (β 1-4 -Nacetilglucosaminidase) os resultados foram 0.03, 0.22 e 0.16 UI respectivamente, e a atividade glucanase (β 1-3-glucanase) foi 0.23, 0.25 e 0.26 UI respectivamente. Extratos orgânicos das actinobacterias obtidos com diclorometano (26) e acetato de etila (15) demostraram inibição do crescimento do fungo, somente o isolado 1AS2a apresentou inibição na concentração de 165 μg.mL-1. Estudos espectrométricos revelaram a prescença de um composto da família das bafilomicinas como principal composto ativo. A anotação do genoma do isolado 1AS2a revelou a presença de 33 operons gênicos envolvidos em vias biossínteticas para produção de compostos antimicrobianos, nos quais um deles, apresentou 100% de similaridade para operon de sintese de bafilomicina. Estudos taxonômicos mostraram que as características filogenéticas, morfológicas e químicas do isolado 1AS2c são consistentes com o gênero Streptomyces. Entretanto, algumas diferenças no perfil taxonômico, Hibridização DNA:DNA e análise de Multilocus confirmou o isolado 1AS2cT como linhagem tipo para uma nova espécie de Streptomyces, para qual o nome Streptomyces rhizosphaericola sp. nov. Com os resultados obtidos podemos afirmar: 1. Biomas brasileros possuem uma grande diversidade taxonômica e funcional 2. Os isolados de Actinobacteria posuem capacidade antagonica contra o fungo S. sclerotiorum 3. O isolado 3AS4 posui a capacidade de solubilização de fósforo e estimulação de crescimento vegetal do em condições de casa de vegetação 4. A efetiva produção de compostos antifúngicos do isolado 1AS2a, revelados diante o uso combiando de ferramentas espectroscopicas e bioinformaticas. Considerando todo isso, existe um enorme potencial de biocontrole em isolados de Actinobactérias de diferentes biomas do Brasil que podem ser uma nova opcão para uso na agricultura.In this study, the taxonomic diversity and biological potential of actinobacteria isolated from different Brazilian biomes with antagonistic activity against Sclerotinia sclerotiorum were accessed. In total, 354 isolates were obtained from the Embrapa - Environment Collection of Microorganisms of Agricultural and Environmental Importance (CMAA). The antagonistic activity against S. sclerotiorum was evaluated by in vitro assay. In total, 55 isolates were obtained, all isolates showed some percentage of visible growth inhibition against S. sclerotiorum. The identification and analysis of the diversity of the isolates using the 16S rRNA gene showed that 49 isolates belong to the Streptomyces genus, 4 isolates belonging to the genus Micromonospora, 1 isolated to the genus Kocuria and 1 isolated to the genus Actinomadura. All the actinobacteria showed compatibility with the soil beneficial bacteria evaluated except the isolate Caat P8 35. Three isolates, 1AS2a, Caat P555 and Caat P8 79 inhibited both mycelia and S. sclerotiorum sclerotia. The isolates Bc V1 06 and 3AS4 showed hydrolysis using organic and inorganic phosphorus media. In order to know the possible mechanism of action for solubilization of phosphorus, the aqueous extract of the 3AS4 isolate was submitted to HPLC analysis, the chromatographic profile obtained was similar to gluconic acid. Greenhouse evaluation showed differences in height of soybean plants after 6 weeks when inoculated with 3AS4. The Shoot/Root ratio was significantly higher when the phosphorus was added along with the actinobacteria. Plants with no phosphorus addition and with 3AS4 showed similar development in the Shoot/Root when compared to inoculated plants with 40 kg.ha-1 of PR and SPT. The evaluation of the enzymatic activity evidenced nine isolates efficient of hydrolyzing chitin and laminarin as the only carbon substrate, three of them; 1AS2a, Caat P5 55 e Caat P8 79 isolates (β-1-4-N-acetylglucosaminidase) was 0.03, 0.22 and 0.16 IU respectively, however, glucanase activity (β-1-3-glucanase) was 0.23, 0.25 and 0.26 IU respectively. Organic extracts of the actinobacteria obtained with dichloromethane (26) and ethyl acetate (15) demonstrated inhibition of fungus growth, only the 1AS2a isolate presented inhibition at the concentration of 165 μg.mL-1. Spectrometric studies have revealed the presence of a compound of the bafilomycins family as the main active compound. The annotation of the genome of the 1AS2a isolate revealed the presence of 33 gene operons involved in biosynthetic pathways for the production of antimicrobial compounds, in which one of them presented 100% similarity to the bafilomycin synthesis cluster. Taxonomic studies have shown that the phylogenetic, morphological and chemical characteristics of the 1AS2c isolate are consistent with the genus Streptomyces. However, some differences in the taxonomic profile, DDH and Multilocus analysis confirmed the isolated 1AS2cT as a type strain for Streptomyces, for which the name Streptomyces rhizosphaericola sp. Nov. With the results obtained we can corroborate: 1. Brazilian biomes possess a great taxonomic and functional diversity 2. Detection of the antagonism of Actinobacteria isolates against S. sclerotiorum fungus 3. Phosphorus solubilization and plant growth stimulation of 3AS4 isolate under conditions of greenhouse 4. The effective antifungal compounds production of the 1AS2a isolate, revealed in the combining use of spectroscopic and bioinformatics tools. Considering all this, there is an enormous potential for biocontrol in isolates of Actinobacteria from different Brazilian biomes that may be a new option for use in agriculture