Dual functional plant-associated bacteria producing phytohormones and antimicrobial compounds for sustainable crop production

Abstract

The aim of this review was to summarize current knowledge on the production of phytohormones and antimicrobial compounds by endophytic and rhizosphere bacteria and their potential application in sustainable crop production. Materials and methods. Scientific publications indexed in the PubMed and Google Scholar databases concerning the synthesis of plant growth-promoting phytohormones and antimicrobial secondary metabolites active against phytopathogens were analyzed. Results and discussion. In crop production, toxic agrochemicals are widely used to control phytopathogens and prevent significant yield losses. In recent years, the rapid development of biotechnology has stimulated growing interest in integrated technologies aimed at the simultaneous production of several target products within a single technological process. Plant-associated bacteria are capable of synthesizing phytohormones that stimulate plant growth, as well as antimicrobial compounds, including antibiotics, hydrolytic enzymes, and surfactants, which may serve as environmentally friendly alternatives to chemical pesticides. The main producers of phytohormone complexes and antimicrobial metabolites are endophytic and rhizosphere bacteria belonging to the genera Streptomyces, Bacillus, and Pseudomonas. Among the phytohormones synthesized together with other secondary metabolites, indole-3-acetic acid is the predominant compound. Antimicrobial metabolites include a wide range of antibiotics, while the hydrolytic enzymes produced are mainly cellulases and chitinases. The major surfactants synthesized by these bacteria are lipopeptides and rhamnolipids. Studies on the in vitro antimicrobial activity of synthesized secondary metabolites have mainly focused on fungal phytopathogens and were evaluated based on the degree of test culture growth inhibition and the diameter of inhibition zones. Considerably less attention has been paid to the antibacterial activity of antibiotics, enzymes, and biosurfactants. The vast majority of the analyzed studies were primarily aimed at identifying metabolites involved in plant growth promotion and protection against phytopathogens, rather than at developing technologies for their large-scale production. Conclusions. In summary, plant-associated bacteria are promising producers of phytohormones and antimicrobial metabolites for sustainable agriculture. However, most studies focus on metabolite identification rather than the development of technologies for their large-scale production and practical application. Метою цього огляду було узагальнення сучасних знань про виробництво фітогормонів та антимікробних сполук ендофітними та ризосферними бактеріями та їх потенційне застосування у сталому виробництві сільськогосподарських культур. Матеріали та методи. Було проаналізовано наукові публікації, індексовані в базах даних PubMed та Google Scholar, щодо синтезу фітогормонів, що стимулюють ріст рослин, та вторинних антимікробних метаболітів, активних проти фітопатогенів. Результати та обговорення. У виробництві сільськогосподарських культур токсичні агрохімікати широко використовуються для боротьби з фітопатогенами та запобігання значним втратам врожаю. В останні роки швидкий розвиток біотехнології стимулював зростаючий інтерес до інтегрованих технологій, спрямованих на одночасне виробництво кількох цільових продуктів в рамках одного технологічного процесу. Бактерії, асоційовані з рослинами, здатні синтезувати фітогормони, що стимулюють ріст рослин, а також антимікробні сполуки, включаючи антибіотики, гідролітичні ферменти та поверхнево-активні речовини, які можуть служити екологічно безпечною альтернативою хімічним пестицидам. Основними продуцентами фітогормональних комплексів та антимікробних метаболітів є ендофітні та ризосферні бактерії, що належать до родів Streptomyces, Bacillus та Pseudomonas. Серед фітогормонів, що синтезуються разом з іншими вторинними метаболітами, індол-3-оцтова кислота є переважною сполукою. Антимікробні метаболіти включають широкий спектр антибіотиків, тоді як гідролітичні ферменти, що виробляються, - це переважно целюлази та хітинази. Основними поверхнево-активними речовинами, що синтезуються цими бактеріями, є ліпопептиди та рамноліпіди. Дослідження антимікробної активності синтезованих вторинних метаболітів in vitro були зосереджені переважно на грибкових фітопатогенах та оцінювалися на основі ступеня пригнічення росту тестової культури та діаметра зон пригнічення. Значно менше уваги приділялося антибактеріальній активності антибіотиків, ферментів та біоповерхнево-активних речовин. Переважна більшість проаналізованих досліджень була спрямована в першу чергу на ідентифікацію метаболітів, що беруть участь у стимулюванні росту рослин та захисті від фітопатогенів, а не на розробку технологій їх великомасштабного виробництва. Висновки. Таким чином, рослинні бактерії є перспективними продуцентами фітогормонів та антимікробних метаболітів для сталого сільського господарства. Однак більшість досліджень зосереджені на ідентифікації метаболітів, а не на розробці технологій їх великомасштабного виробництва та практичного застосування.