Rhizosphere engineering of Salicornia europaea with plant growth-promoting bacteria (PGPB) | Engenharia da rizosfera de Salicornia europaea com bactérias promotoras de crescimento de plantas (PGPB)

Salicornia europaea L., a halophytic plant, has significant agricultural, environmental, and pharmacological potential. It is increasingly cultivated for use as a crop plant and recently in integrated multi-trophic marine aquaculture systems (IMTA), aiding the circular economy and sustainability in aquaculture. Optimizing S. europaea growth in extreme conditions is not well understood, particularly the role of its microbiome in enhancing stress tolerance and nutrient uptake. The potential of plant growth-promoting bacteria (PGPB) is recognized, but their interactions with S. europaea and application in different growth conditions remain largely underexplored. Furthermore, differences in microbiome composition between wild and cultivated populations also need investigation, leaving a gap in our knowledge of how to harness these microbial communities for improved plant performance. The main objective of this work is the formulation of PGPB cocktails to enhance the growth, stress resistance and performance of Salicornia europaea in saline agriculture and IMTA systems. Hence, this thesis examines the root-associated microbiome using culturedependent and -independent methods, characterizes PGP traits of bacteria from S. europaea roots, and investigates selected PGPB isolates in biostimulation and bioremediation. It assesses PGPB inoculation effects on S. europaea productivity in soil and soilless conditions and nutrient remediation efficiency in aquaponics. Bacterial communities from crop and wild populations were analyzed, revealing differences in taxonomic structure and putative functions, influencing the plant’s metabolite profile. Crop plant microbiomes were linked to stress relief, while wild plant microbiomes were associated with nutrient uptake, underscoring the importance of screening beneficial bacteria from multiple sources. Root-associated PGPB were screened for traits like phosphate solubilization, nitrogen fixation, siderophore production, stress attenuation, and growth regulation. The study confirmed that S. europaea roots harbor halotolerant PGP bacteria beneficial for crop growth and resilience. Three isolates, Bacillus aryabhattai SP20, Brevibacterium casei EB3, and Pseudomonas oryzihabitans RL18, were selected for pot and field trials. Under controlled pot conditions, inoculated plants showed significantly increased biomass. GC-TOF-MS analysis indicated a metabolic shift towards amino acid production, confirming biostimulation. However, this effect was absent in field conditions, suggesting the need for repeated field experiments and alternative delivery methods like microencapsulation. Further GC-MS and UHPLC-MS analysis of aerial biomass revealed differential plant responses based on growth conditions. Under controlled conditions, inoculation stimulated plant growth, while in the field, inoculated plants had their immune systems reinforced, especially with antioxidant compounds. A bioremediation experiment was conducted in aquaponic conditions, using P. oryzihabitans RL18 and B. casei EB3 as inoculants for S. europaea. Inoculated plants showed improved nitrogen and phosphorus extraction and increased biomass. Elemental analysis of inoculated plants indicated the accumulation of boron, calcium, copper, and magnesium, which powers protein and chlorophyll synthesis. However, a higher Na/K ratio in realistic conditions may affect the plants' suitability for consumption. PGPB, particularly B. casei EB3 and P. oryzihabitans RL18, are effective biostimulation and bioremediation enhancers for S. europaea, increasing its commercial value.

A halófita Salicornia europaea L., tem revelado um enorme potencial para utilização nas áreas agrícola, ambiental e farmacológicas. Recentemente, tem vindo a ser integrada em sistemas de aquacultura multitrófica (IMTA), para a recuperação de nutrientes inorgânicos dissolvidos na água dos efluentes, contribuindo desta forma para a economia circular e sustentabilidade dos sistemas de aquacultura. Contudo, o crescimento de S. europaea em condições de elevada salinidade é ainda sub-ótimo, e não se conhece na totalidade o contributo do seu microbioma na melhoria da tolerância ao stress e na aquisição de nutrientes. Embora o potencial exibido por bactérias promotoras do crescimento das plantas (PGPB) seja amplamente reconhecido, a interação com S. europaea e a aplicação em diferentes contextos de cultivo não foram ainda totalmente exploradas. O aprofundar do conhecimento das diferenças na composição do microbioma entre populações selvagens e cultivadas pode maximizar a informação relativa à interação microbioma-planta para selecionar PGPB com determinadas características de promoção de crescimento. O presente trabalho tem como objetivo principal a formulação de cocktails de PGPB para melhorar o crescimento, a resistência ao stress e o desempenho da S. europaea na agricultura salina e em sistemas IMTA. Para isso foi necessário estudar o microbioma associado às raízes da S. europaea utilizando métodos dependentes e independentes de cultivo, caracterizar as propriedades promotoras de crescimento de bactérias associadas às raízes e selecionar isolados para serem usados em contextos de bioestimulação e biorremediação. A análise das comunidades bacterianas associadas a populações de S. europaea cultivadas e selvagens revelou diferenças importantes na estrutura taxonómica e nas suas funções putativas, relacionadas com diferentes perfis metabólicos das plantas. Enquanto que os microbiomas das plantas cultivadas estavam ligados ao alívio do stress, os microbiomas das plantas selvagens estavam associados à aquisição de nutrientes, sublinhando a importância de identificar múltiplas fontes de bactérias benéficas. O isolamento de bactérias associadas às raízes de S. europaea confirmou e existência de bactérias halotolerantes benéficas para o crescimento e para a resiliência das plantas, possuindo propriedades como solubilização de fosfato, fixação de nitrogénio, produção de sideróforos e produção de compostos que atenuam o stress e regulam o crescimento. Três isolados – Bacillus aryabhattai SP20, Brevibacterium casei EB3 e Pseudomonas oryzihabitans RL18 – foram selecionados para ensaios de bioestimulação em condições controladas (vasos) e no campo. Em vaso, as plantas inoculadas apresentaram um aumento significativo da biomassa e a análise GC-TOF-MS indicou uma alteração metabólica direcionada para a produção de aminoácidos, confirmando a bioestimulação. Este efeito não foi, contudo, observado em condições de campo, sugerindo a necessidade de repetição de ensaios de campo e de métodos alternativos de aplicação, como a microencapsulação. Análises adicionais de GC-MS e UHPLC-MS à parte aérea das plantas mostraram respostas metabólicas diferentes, dependendo das condições de crescimento. Em ambientes controlados, a resposta da planta focou-se no crescimento, enquanto que, em condições de campo, verificou-se um estímulo dos sistema imunitário, com reforço de compostos antioxidantes. Em condições de aquaponia, a inoculação de S. europaea com B. casei EB3 e P. oryzihabitans RL18, permitiu confirmar os efeitos de bioestimulação e de biorremediação, com aumento significativo da biomassa vegetal e da extração de nitrogénio e fósforo dissolvidos na água. A análise elementar das plantas inoculadas revelou acumulação de boro, cálcio, cobre e magnésio, potenciando a síntese de proteínas e clorofilas. No entanto, o aumento do rácio Na/K pode suscitar dúvidas quanto à adequação destas plantas para consumo. As PGPB isoladas, especialmente B. casei EB3 e P. oryzihabitans RL18, mostraram-se eficazes na biostimulação e biorremediação da S. europaea, aumentando o seu valor comercial.

Programa Doutoral em Ciência, Tecnologia e Gestão do Mar