Vasconcelos, Marta Wilton Pereira Leite deCarvalho, Susana Maria Pinto deCastro, Paula Maria Lima eCosta, Mariana Roriz Lemos2021-12-292021-12-292021-07-062021-03http://hdl.handle.net/10400.14/36304Iron (Fe) deficiency is an important micronutrient disorder that leads to severe yield losses and low nutritional crop value, particularly in calcareous soils. There is an urgent need to find sustainable and greener agricultural practices to achieve higher crop yields with higher nutritional value. Biofortification allows the increase of micronutrient concentrations in edible crop tissues and contributes to achieving such demands. The utilization of bioinoculants (BIs) with plant growth-promoting bacteria (PGPB) has been suggested as a promising approach for biofortification and prevention of Fe deficiency. So far, little work has been done on the role of PGPB in soybean (Glycine max) grown under alkaline conditions. The main purpose of this study was to test the potential of PGPB on plant growth and Fe uptake, unveiling mechanisms underlying Fe uptake and accumulation. Soybean was selected as a model species since it is severely affected by Fe deficiency and several underlying factors related to Fe homeostasis are identified. Firstly, an in-depth and critical literature review was conducted concerning the global importance of Fe and the Fe deficiency, the importance of soybean in the fulfillment of global policies, and the potential of PGPB as a sustainable approach to improve Fe nutrition and cope with Fe deficiency. Concerning the experimental work, the first study of this thesis aimed to evaluate the ability of 24 PGPB strains from a CBQF collection to enhance Fe uptake-related processes in soybean grown for 21 days in calcareous soil. Sphingobium fuliginis ZR 1-6 and Pseudomonas jessenii ZR 3-8 were selected based on their in vitro ability to produce indole-3-acetic acid (IAA), 1-aminocyclopropane-1- carboxylic acid (ACC) deaminase, siderophores, and organic acids, to tolerate high pH, and to reduce Fe3+. Bacterial isolates were inoculated singly and as a mixture, and a series of morphological, physiological, and molecular parameters were evaluated. S. fuliginis improved ferric chelate reductase (FC-R) activity (111 %), FRO2 expression (646 %), and root Fe (62 %); combined inoculation fostered Fe accumulation in trifoliates (144 %) and increased IRT1 (239 %) and FER4 expression (5036 %). Overall, S. fuliginis alone or in combination with P. jessenni were the best treatments. In a second study, PGPB were isolated from root tissues and rhizosphere of soybean grown in a Portuguese soil; 76 bacterial strains were isolated from roots (53 %), rhizosphere (29 %), and shoots (18 %), and 29 genera were identified. Two bacterial strains – B. licheniformis P2.3 and B. aerius S2.14 – were selected for in vivo experiments, and inoculated plants were grown to maturity. Photosynthetic parameters, chlorophyll content, total fresh weight, and Fe concentrations were not significantly affected by inoculation. Nevertheless, inoculation with B. licheniformis increased pod number (33 %), decreased FC-R activity (45 %), and increased expression of Fe-related genes; inoculation with B. aerius decreased root length (20 %), FC-R activity (55 %), and FRO2 expression, and increased expression of the remaining genes. Furthermore, inoculation with bacterial isolates improved the accumulation of Mn, Zn, and Ca in soybean tissues. In this study, B. licheniformis showed potential to be incorporated in formulations for improving soybean grown in calcareous soil. The formulation of BIs contemplate a series of requirements and their effective implementation is still challenging. However, they are a promising trend to the accomplishment of future global politics and present a series of advantages to greener agriculture practices that are critically reviewed in the last part of this thesis. In general, the results presented in this thesis contribute to better understand the mechanisms by which PGPB improve Fe uptake and plant growth, under alkaline conditions, and their potential as bioinoculants in a sustainable perspective.A deficiência de ferro (Fe) é uma carência nutricional que leva a graves perdas de produtividade e valor nutricional das culturas, particularmente em solos calcários. Existe uma necessidade urgente de encontrar práticas agrícolas mais sustentáveis para a produção de culturas com maior rendimento e valor nutricional. A biofortificação permite aumentar a concentração de micronutrientes nas culturas e contribui para cumprir estas necessidades. A utilização de bioinoculantes (BIs) com bactérias promotoras de crescimento de plantas (BPCP) tem sido sugerida como uma abordagem de biofortificação e prevenção da deficiência de Fe. Até agora, existem poucos estudos sobre o papel das BPCP em soja crescida em condições alcalinas. O objetivo principal deste estudo foi testar o potencial de BPCP no crescimento das plantas e na absorção do Fe, elucidando os mecanismos subjacentes à absorção e acumulação do Fe. A soja foi escolhida pois é bastante afetada pela deficiência de Fe, e foram identificados vários fatores subjacentes relacionados com a sua homeostasia. Inicialmente, fez-se uma revisão crítica da literatura tendo em conta a importância do Fe e da sua carência, o papel da soja face às políticas globais, e o potencial das BPCP como abordagem sustentável para melhorar a nutrição de Fe e combater a sua deficiência. O primeiro estudo experimental teve como objetivo avaliar a capacidade de 24 estirpes de BPCP de uma coleção do CBQF em melhorar os processos de absorção do Fe em soja crescida em solo calcário durante 21 dias. Sphingobium fuliginis ZR 1-6 e Pseudomonas jessenii ZR 3-8 foram selecionadas com base na sua capacidade in vitro de produzir ácido indol-3-acético (AIA), ácido 1- carboxílico-1-aminociclopropano (ACC) oxidase, sideróforos e ácidos orgânicos, tolerar pH elevado, e reduzir Fe3+. Os isolados bacterianos foram inoculados isoladamente e em mistura, e foram avaliados vários parâmetros morfológicos, fisiológicos e moleculares. S. fuliginis melhorou a atividade da redutase férrica (FC-R) (111 %), a expressão de FRO2 (646 %), e a concentração de Fe na raiz (62 %); a inoculação combinada promoveu a acumulação de Fe nos trifoliados (144 %) e aumentou a expressão de IRT1 (239 %) e FER4 (5036 %). No geral, a inoculação com S. fuliginis sozinho ou em combinação com P. jessenni revelaram-se os melhores tratamentos. Num segundo estudo, as BPCP foram isoladas dos tecidos e da rizosfera de soja cultivada num solo português; foram isoladas 76 estirpes das raízes (53 %), rizosfera (29 %), e parte aérea (18 %), e foram identificados 29 géneros bacterianos. Foram selecionadas duas estirpes – B. licheniformis P2.3 e B. aerius S2.14 – para experiências in vivo em plantas crescidas até à maturidade. Os parâmetros fotossintéticos, teor de clorofila, peso fresco total e concentrações de Fe não foram afetados significativamente pela inoculação. No entanto, a inoculação com B. licheniformis aumentou o número de vagens (33 %), diminuiu a atividade da FC-R (45 %) e aumentou a expressão de genes relacionados com o Fe; a inoculação com B. aerius diminui o comprimento da raiz (20 %), a atividade da FC-R (55 %) e a expressão de FRO2, e aumentou a expressão dos restantes genes. Além disso, a inoculação com as bactérias melhorou a acumulação de Mn, Zn e Ca nos tecidos da soja. Neste estudo, B. licheniformis apresentou potencial para ser incorporado em formulações para o melhoramento da soja crescida em solo calcário. A formulação de BIs contempla vários requisitos e sua implementação representa ainda um desafio. No entanto, estes são uma tendência promissora para o cumprimento das políticas globais futuras, apresentado várias vantagens para práticas agrícolas mais “verdes”, analisadas na última parte desta tese. No geral, os resultados apresentados contribuem para compreender melhor os mecanismos pelos quais as BPCP melhoram a absorção do Fe e o crescimento das plantas em condições alcalinas, e demonstram o seu potencial como bioinoculantes numa perspetiva sustentável.engBiofertilizerBioinoculantGlycine maxIron deficiencyPlant growth-promoting bacteriaBiofertilizanteBioinoculanteGlycine maxDeficiência de ferroBactérias promotoras de crescimento de plantasdoctoral thesis101665962