Date of Award

11-2022

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Molecular Biology and Biotechnology

Department

Biology

First Advisor

Synan F. AbuQamar

Second Advisor

Khaled A. El-Tarabily

Abstract

Salinity is one of the most decisive environmental factors limiting the productivity of crop plants, mainly in arid and semi-arid regions. An eco-friendly technology can be used to boost crop production in saline areas by using plant growth-bacteria. Endophytic actinobacteria that produce the enzyme 1-Aminocyclopropane-1-Carboxylic acid (ACC) Deaminase (ACCD) can modulate the levels of Ethylene (ET) in plants to reduce the effect of abiotic stresses including high salt stress. The main objectives of this study were to: (1) Evaluate endophytic actinobacterial isolates from healthy tomato plants cultivated in the UAE that are capable of producing ACCD in vitro; (2) test the isolated endophytic actinobacteria possessing ACCD for their potential of producing Plant Growth Regulators (PGRs) in vitro; and (3) test the ability of tomato seedlings growing under high salt stress conditions using the most promising endophytic actinobacterial isolate producing ACCD in the greenhouse. To achieve this, twenty-five isolates of actinobacteria possessing the activity of ACCD were obtained from the roots of Zygophyllum mandaveli in Sweihan area, Abu Dhabi-UAE. In vitro screening demonstrated that two actinobacterial isolates produced ACCD, while tolerating up to 8% NaCl. In the greenhouse, the ACCD-producing isolate (referred to as Z3-40 isolate) significantly (P<0.05) enhanced growth of tomato seedlings in response to salt stress (120 mM NaCl). This was evident from the increase in the dry weight of roots by 2-fold and the length of roots and shoots by about 25%. These results were also associated with the reduced levels of the endogenous ACC by 3- and 3-fold in both root and shoot tissues, respectively, in plants inoculated with Z3-40 isolate compared to those of control or non-ACCD-producing isolate treatments. In conclusion, the production of ACCD by the endophytic actinobacterial isolate and its ability to enhance tomato growth under saline conditions mitigate the effect of salt stress through the reduction of endogenous ACC as well as ET levels in plant tissues. This investigation is expected to contribute to the development of sustainable agricultural strategies for utilizing saline water for the primary production in the United Arab Emirates, allowing local crop growers to use the high saline groundwater for irrigation.

Arabic Abstract


الكشف عن الأكتينوبكتيريا المحيطة بالجذور والتي تعزز من نمو ومقاومة الملوحة لنبات الطماطم في الإمارات العربية المتحدة

تعتبر الملوحة من أهم العوامل البيئية التي تحد من إنتاجية المحاصيل، وخاصة في المناطق القاحلة وشبه القاحلة. وعليه يمكن استخدام تقنية صديقة للبيئة لزيادة إنتاجية المحاصيل في المناطق المالحة وذلك باستخدام الأكتينوبكتيريا المعززة لنمو النبات. يمكن للأكتينوباكتيريا التي تعيش داخل جذور النبات والتي تنتج إنزيم 1- Aminocyclopropane-1-Carboxylic acid (ACC) Deaminase (ACCD)، والذي بدوره يعمل على تقليل مستويات الإيثيلين داخل النبات للحد من تأثير الضغوطات الغير حيوية وأهمها الإجهاد الملحي. كانت الأهداف الرئيسية لهذه الدراسة هي: (1) تقييم عزلات الأكتينوبكتيريا من نباتات الطماطم الصحية المزروعة في دولة الإمارات القادرة على إفراز انزيم ACCD في المختبر؛ (2) اختبار عزلة الأكتينوبكتيريا الداخلية المنتجة لانزيم ACCD لقدرتها على إنتاج منظمات نمو النبات (PGRs) في المختبر؛ (3) اختبار قدرة شتلات الطماطم على النمو في ظروف عالية من الإجهاد الملحي باستخدام عزلة الأكتينوباكتيريا الداخلية الواعدة التي تنتج انزيم ACCD فى تجارب البيوت البلاستيكية. لتحقيق هذا، تم عزل خمسة وعشرين عزلة من الأكتينوباكتيريا التي تعيش داخل جذور نبات Zygophyllum mandaveli من منطقة سويحان في إمارة أبوظبي في دولة الإمارات العربية المتحدة. لقد أثبتت الاختبارات المخبرية أن اثنين من عزلات الاكتينوبكتيريا قادرة على إنتاج ACCD، مع تحمل تركيزات ملحية عالية جداً قد تصل إلى 8٪ من كلوريد الصوديوم. أظهرت تجارب البيوت البلاستيكية، أن العزلة الواعدة المنتجة لانزيم ACCD (المشار إليها باسم العزلة Z3-40) عملت على تحسين نمو نباتات الطماطم بوجود تركيزات ملوحة وبنتيجة ذات دلالة إحصائية معنوية (P<0.05) كان هذا واضحاً في زيادة الأوزان الجافة مرتين، وزادت أطوال الجذور تقريباً 25٪ وعززت أيضاً أطوال البراعم. كما أظهرت النتائج أن الاكتينوبكتيريا المنتجة لانزيم ACCD، عملت على تخفيض مستوى ACC إلى الثلث داخل الجذور، بالمقارنة مع المعاملات التي لم يتم إضافة الاكتينوبكتيريا أو تلك التي تم إضافة الاكتينوبكتيريا غير المنتجة لانزيم ACCD. إن إنتاج ACCD بواسطة الأكتينوباكتيريا الداخلية وقدرتها على تعزيز نمو الطماطم في ظل الظروف المالحة من خلال انخفاض مستويات النبات من الـ ACCوما يترتب على ذلك من خفض مستويات الإيثيلين الداخلي في الأنسجة النباتية. ومن المتوقع أن تسهم هذه الدراسة في تطوير استراتيجيات لاستخدام المياه الجوفية عالية الملوحة لإنتاج الخضروات في دولة الإمارات العربية المتحدة، مما يسمح للمزارعين باستخدام هذه المياه للري.

Download
COinS