Биолошки потенцијал врсте Schizophyllum commune Fries 1815. из потопљене културе у биопрајмингу семена грашка (Pisum sativum L.)

Abstract

Биопрајминг семена представља напредну технику третмана семена која обезбеђује повећану клијавост и отпорност семена на стрес путем интеграције биолошких и физичких аспеката биоагенаса, укључујући корисне микроорганизме и њихове продукте. Са друге стране, истраживање филаментозних гљива су допринела сазнањима о огромном потенцијалу ових организама у биотехнолошким процесима, а све више је израженија и свест о способности гљива да повећају отпорност биљака на различите услове стреса, што би значајно допринело повећању производње и одрживости пољопривреде. Познато је да врста Schizophyllum commune Fries 1815. синтетише многе корисне метаболите, укључујући и полисахарид (ПХ) шизофилан који је нашао примену у многим индустријама, услед чега је циљ докторске дисертације био испитивање потенцијала ове врсте у биопрајмингу семена грашка (Pisum sativum L.). Први део истраживања је укључивао култивацију два различита соја гљиве S. commune Fr. пореклом из Србије (СРБ) и Италије (ИТА) у потопљеној култури током 7,14, 21 и 28 дана, а затим и припрему и карактеризација различитих екстраката (етанолних – ЕТ, метанолних и полисахаридних – ПСХ) из биомасе и филтрата. Серија in vitro есеја је коришћена за испитивање антиоксидативне, антибактеријске и антиацетилхолинестеразне активности у циљу одабира најпотентнијих екстраката. Резултати прве фазе су значајно допринели разумевању утицаја типа растварача, типа екстракта, методе екстракције и дужине инкубационог периода на јачину испитиваних активности и указали на синергистички ефекат примарних и секундарних метаболита, што је имало велики значај у одабиру екстраката за наставак истраживања. Штавише, прикупљени подаци су обезбедили детаљан увид у различите активности и биохемијске карактеристике екстраката и на тај начин омогућили идентификацију најпотентнијих екстраката у контексту биопрајминга, али и наговестили потенцијал примене у фармакологији. Прелиминарним биопрајмингом семена грашка започет је други део истраживања, где су детаљно проучени ефекти ПСХ и ЕТ екстраката гљиве на параметре квалитета семена грашка и почетног пораста биљака. Будући да ЕТ екстракти нису произвели значајне резултате који би били примењиви у пољопривредној пракси, истраживање се фокусирало на карактеризацију и примену ПСХ екстраката, конкретно егзо (ЕПСХ) и интраполисахарида (ИПСХ) у биопрајмингу. Последња фаза истраживања обухватала је биопрајминг семена грашка са изолованим ЕПСХ и ИПСХ из СРБ и ИТА сојева гљиве, испитивање квалитета семена и почетног пораста биљака након биопрајминга под оптималним условима и у условима стреса односно суше, као и анализу ензимске и неензимске антиоксидативне активности и хемијску карактеризацију екстраката грашка. Позитиван утицај ПХ на енергију клијања и клијавост семена грашка, као и значајно побољшање испитиваних параметара у условима стреса (суше) наговештавају да примена ПХ из S. commune Fr. у биопрајмингу има дугорочне користи за развој биљака, и може значајно да допринесе стимулисању ране фазе развоја и увећање биомасе и приноса у каснијим фазама развоја грашка. Испитивања антиоксидативне активности као и хемијска карактеризација екстраката грашка су значајно допринела сазнањима о утицају биопрајмингу семена на одбранбени механизам биљке у оптималним условима и условима суше. Додатно резултати су указали на огроман потенцијал ПХ изолованих из гљиве S. commune Fr. као антиоксиданаса што има значајне последице на наше разумевање одговора биљака на стресне услове и за разраду стратегија које могу помоћи у заштити биљака. Битно је напоменути да су резултати пионирски и да наглашавају значај интеграције гљива и њихових метаболита у еколошки одрживу пољопривредну праксу, што даље може имати значајне импликације за унапређење производње грашка.

Bioprajming semena predstavlja naprednu tehniku tretmana semena koja obezbeđuje povećanu klijavost i otpornost semena na stres putem integracije bioloških i fizičkih aspekata bioagenasa, uključujući korisne mikroorganizme i njihove produkte. Sa druge strane, istraživanje filamentoznih gljiva su doprinela saznanjima o ogromnom potencijalu ovih organizama u biotehnološkim procesima, a sve više je izraženija i svest o sposobnosti gljiva da povećaju otpornost biljaka na različite uslove stresa, što bi značajno doprinelo povećanju proizvodnje i održivosti poljoprivrede. Poznato je da vrsta Schizophyllum commune Fries 1815. sintetiše mnoge korisne metabolite, uključujući i polisaharid (PH) šizofilan koji je našao primenu u mnogim industrijama, usled čega je cilj doktorske disertacije bio ispitivanje potencijala ove vrste u bioprajmingu semena graška (Pisum sativum L.). Prvi deo istraživanja je uključivao kultivaciju dva različita soja gljive S. commune Fr. poreklom iz Srbije (SRB) i Italije (ITA) u potopljenoj kulturi tokom 7,14, 21 i 28 dana, a zatim i pripremu i karakterizacija različitih ekstrakata (etanolnih – ET, metanolnih i polisaharidnih – PSH) iz biomase i filtrata. Serija in vitro eseja je korišćena za ispitivanje antioksidativne, antibakterijske i antiacetilholinesterazne aktivnosti u cilju odabira najpotentnijih ekstrakata. Rezultati prve faze su značajno doprineli razumevanju uticaja tipa rastvarača, tipa ekstrakta, metode ekstrakcije i dužine inkubacionog perioda na jačinu ispitivanih aktivnosti i ukazali na sinergistički efekat primarnih i sekundarnih metabolita, što je imalo veliki značaj u odabiru ekstrakata za nastavak istraživanja. Štaviše, prikupljeni podaci su obezbedili detaljan uvid u različite aktivnosti i biohemijske karakteristike ekstrakata i na taj način omogućili identifikaciju najpotentnijih ekstrakata u kontekstu bioprajminga, ali i nagovestili potencijal primene u farmakologiji. Preliminarnim bioprajmingom semena graška započet je drugi deo istraživanja, gde su detaljno proučeni efekti PSH i ET ekstrakata gljive na parametre kvaliteta semena graška i početnog porasta biljaka. Budući da ET ekstrakti nisu proizveli značajne rezultate koji bi bili primenjivi u poljoprivrednoj praksi, istraživanje se fokusiralo na karakterizaciju i primenu PSH ekstrakata, konkretno egzo (EPSH) i intrapolisaharida (IPSH) u bioprajmingu. Poslednja faza istraživanja obuhvatala je bioprajming semena graška sa izolovanim EPSH i IPSH iz SRB i ITA sojeva gljive, ispitivanje kvaliteta semena i početnog porasta biljaka nakon bioprajminga pod optimalnim uslovima i u uslovima stresa odnosno suše, kao i analizu enzimske i neenzimske antioksidativne aktivnosti i hemijsku karakterizaciju ekstrakata graška. Pozitivan uticaj PH na energiju klijanja i klijavost semena graška, kao i značajno poboljšanje ispitivanih parametara u uslovima stresa (suše) nagoveštavaju da primena PH iz S. commune Fr. u bioprajmingu ima dugoročne koristi za razvoj biljaka, i može značajno da doprinese stimulisanju rane faze razvoja i uvećanje biomase i prinosa u kasnijim fazama razvoja graška. Ispitivanja antioksidativne aktivnosti kao i hemijska karakterizacija ekstrakata graška su značajno doprinela saznanjima o uticaju bioprajmingu semena na odbranbeni mehanizam biljke u optimalnim uslovima i uslovima suše. Dodatno rezultati su ukazali na ogroman potencijal PH izolovanih iz gljive S. commune Fr. kao antioksidanasa što ima značajne posledice na naše razumevanje odgovora biljaka na stresne uslove i za razradu strategija koje mogu pomoći u zaštiti biljaka. Bitno je napomenuti da su rezultati pionirski i da naglašavaju značaj integracije gljiva i njihovih metabolita u ekološki održivu poljoprivrednu praksu, što dalje može imati značajne implikacije za unapređenje proizvodnje graška.

Seed biopriming is an advanced seed treatment technique that provides increased germination and seed resistance to stress through the integration of biological and physical aspects of bioagents, including beneficial microorganisms and their products. On the other hand, the research of filamentous fungi has contributed to the knowledge about the enormous potential of these organisms in biotechnological processes, and the awareness of the ability of fungi to increase the resistance of plants to various stress conditions, which would significantly contribute to the increase in production and the sustainability of agriculture, is becoming more pronounced. It is known that the species Schizophyllum commune Fries 1815 synthesizes many useful metabolites, including the polysaccharide (PH) schizophyllan, which has found application in many industries. Hence, the aim of the doctoral dissertation was to examine the potential of this species in the biopriming of pea seeds (Pisum sativum L.) . The first part of the research included the cultivation of two different strains of the mushroom S. commune Fr. originating from Serbia (SRB) and Italy (ITA) in submerged culture for 7, 14, 21 and 28 days, and then the preparation and characterization of different extracts (ethanolic - ET, methanolic and polysaccharide - PSH) from biomass and filtrate. A series of in vitro assays was used to examine antioxidant, antibacterial and antiacetylcholinesterase activity in order to select the most potent extracts. The results of the first phase significantly contributed to the understanding of the influence of the type of solvent, the type of extract, the extraction method and the length of the incubation period on the strength of the tested activities and indicated the synergistic effect of primary and secondary metabolites, which was of great importance in the selection of extracts for further research. Moreover, the collected data provided a detailed insight into the various activities and biochemical characteristics of the extracts and thus enabled the identification of the most potent extracts in the context of biopriming, but also hinted at the potential of application in pharmacology. The second part of the research was started with the preliminary biopriming of pea seeds, where the effects of PSH and ET mushroom extracts on parameters of pea seed quality and initial plant growth were studied in detail. Since ET extracts did not produce significant results that would be applicable in agricultural practice, research focused on the characterization and application of PSH extracts, specifically exo (EPSH) and intrapolysaccharide (IPSH) in biopriming. The last phase of the research included biopriming of pea seeds with isolated EPSH and IPSH from SRB and ITA mushroom strains, examination of seed quality and initial plant growth after biopriming under optimal conditions and under conditions of stress or drought, as well as analysis of enzymatic and non-enzymatic antioxidant activity and chemical characterization pea extract. The positive effect of PH on the germination energy and germination of pea seeds, as well as the significant improvement of the tested parameters under stress (drought) conditions, indicate that the application of PH from S. commune Fr. In biopriming has long-term benefits for plant development, and can significantly contribute to the stimulation of the early stage of development and the increase of biomass and yield in the later stages of development. Tests of antioxidant activity as well as chemical characterization of pea extracts significantly contributed to knowledge about the impact of seed biopriming on the plant's defense mechanism in optimal and drought conditions. In addition, the results indicated the enormous potential of PH isolated from this mushroom as antioxidants, which has significant consequences for our understanding of plant responses to stress conditions and for the development of strategies that can help protect plants. It is important to note that the results are pioneering and emphasize the importance of integrating fungi and their metabolites into ecologically sustainable agricultural practices, which may further have significant implications for the improvement of pea production.