Thesis (M.Sc.) -Cairo University, 2024.

Bibliography: pages 31-34.

The main objective of this study was to evaluate the ability of the rhizosphere bacterial isolates to promote the growth of maize under both normal and saline conditions (150 mM NaCl) through in vitro and pot experiments. In addition, an innovative approach was studied by combining Alcaligenes sp. E1, a strain of plant growth-promoting rhizobacterium (PGPR), was cultured with a photosensitizing material (MB) and exposed to different doses of red laser and monitoring the variation in growth parameters and antioxidant system of maize plants under saline condition. There are three chapters in this study:
The first chapter aims to discuss the Biochemical applications through which rhizobacteria can stimulate plants growth. in addition to demonstrating the effectiveness of plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) in increasing sustainable agriculture by reducing the use of chemical fertilizers and enhancing crop productivity. PGPR are classified according to their functional activities into: (i) biofertilizers, which facilitate the uptake of certain nutrients from the environment e.g. biological nitrogen fixation, phosphate solubilization and production of siderophore, (ii) phytostimulators, which synthesize specific compounds or phytohormones to the plant such as auxins or indole acetic acid (IAA), cytokinins, gibberellic acid (GA) and ethylene, (iii) bioprotectants or biocontrol agents that protect the plants from diseases by producing antifungal metabolites and/or antibiotics.
The second chapter (under submission in the journal of Biocatalysis and Agricultural Biotechnology) aims to isolate new local bacterial isolates of PGPR from the rhizosphere of salt- affected soil in Egypt. All isolates were evaluated for their plant growth promoting (PGP) traits under normal and salt condition (2% NaCl), and the most effective isolates were identified using 16s rRNA molecular technique. Two potent isolates were identified as
Alcaligenes sp. strains. E1 (BS-45) and E2 (BS-57). The selected strains were then optimized for enhanced IAA production and confirmed by TLC technique. The tolerance of bacteria to different environmental factors (such as pH, temperature and salinity) was also investigated. Both isolates can tolerate a wide range of stress, growing well up to 5% of NaCl concentration, pH 9.0 and were able to survive at 45°C. The selected isolates were further evaluated as biocontrol agents by inhibiting the growth of F. solani and R. solani either through diffusible metabolites or emission of VOC. The salt tolerance property was supported by SEM observation that showed the ability of selected PGPR to tolerate salinity stress. Several bioactive metabolites were identified in Alcaligenes sp. E1 and E2 by gas chromatography-mass spectroscopy (GC-MS). These include 9,12,15-octadecatrienoic acid, 2,3-bis[(trimethylsilyl)oxy] propyl ester, (z,z,z), 2 (1H)-Naphthalenone, octahydro-1-methyl-1-(2-propenyl)-, (1à,4aá,8aà), dodecane and isopulegol which have a defensive role against biotic and abiotic stress of the plant. The potential role of the selected isolates as biofertilizier and for alleviating salt stress (150 mM NaCl) and improving Zea mays L. growth under greenhouse condition was evaluated. Salt stress resulted in decrease in shoot and root length and leaf area by 40% and 22%, 39.9 respectively compared to the control under normal condition. Alcaligenes sp. E1 and E2 significantly (p ≤0.05) improved growth traits, antioxidant scavenging activities and photosynthetic pigments in maize plants grown under salt stress (150 mM NaCl) compared to the control plant.
The third chapter shows the promising applications of red laser and photosensitizer in biostimulation of crops and sustainable agriculture. IAA biosynthesis by the tested isolate Alcaligenes sp. E1 is significantly enhanced when exposed to low-intensity laser radiation (10Mw) in the presence or absence of methylene blue as a photosensitizer. The greenhouse (Pots) experiment evaluated the effect of different bacterial treatments on the development
and growth of Zea mays L. seedlings under two environmental conditions: optimum (non-stressed) and salt-stressed (150mM NaCl) condition. The photosensitizing-irradiant bacteria significantly enhanced root and shoot length, leaf area, and fresh and dry weight by 49%, 44%, 42.6%, 34%, and 45.6%, respectively, under saline conditions compared to the uninoculated control. Statistical analysis revealed that (E1+MB+Laser) significantly increased Chl a by 51%, Chl b by 35.6 % and carotenoids by 71% compared to the salt-stressed control plant. Overall, a significant decrease MDA concentration was observed in seedlings inoculated with E1+MB+L, resulting in 42% decrease in MDA compared to uninoculated seedlings.
Antioxidant activities including CAT, SOD, GSH, and TAC were measured in uninoculated and inoculated plants under application of 150 mM NaCl. Bacterial application statistically enhanced the activity of defense enzymes compared to the salt -treated plant (control). Furthermore, Alcaligenes sp. E1 irradiation in combination with photosensitizer can be used as a promising, cost-effective and eco-friendly alternative approach to enhance maize growth and alleviate salt stress.

الهدف الرئيسي من هذه الدراسة هو تقييم قدرة عزلات البكتيريا الجذرية على تعزيز نمو الذرة في ظل الظروف العادية والملحية (150 مليمولار كلوريد الصوديوم) من خلال التجارب المعملية وفي الأصيص. بالإضافة إلى ذلك، تمت دراسة نهج مبتكر من خلال الجمع بين سلالة البكتيريا الجذرية المعززة لنمو النبات Alcaligenes sp. E1) PGPR) باستخدام مادة محسسة للضوء (MB) وتعريضها لجرعات مختلفة من الليزر الأحمر ومراقبة التباين في معايير النمو ونظام مضادات الأكسدة لنباتات الذرة في ظل الظروف الملحية. هناك ثلاث فصول في هذه الدراسة:
يهدف الفصل الأول إلى مناقشة التطبيقات الكيميائية الحيوية التي يمكن من خلالها للبكتيريا الجذرية تحفيز نمو النباتات. بالإضافة إلى إظهار فعالية البكتيريا الجذرية المعززة لنمو النباتات (PGPR) في زيادة الزراعة المستدامة من خلال تقليل استخدام الأسمدة الكيماوية وتعزيز إنتاجية المحاصيل. يتم تصنيف البكتيريا الجذرية المعززة لنمو النباتات (PGPR) وفقًا لأنشطتها الوظيفية إلى: (أ) الأسمدة الحيوية، التي تسهل امتصاص بعض العناصر الغذائية من البيئة مثل التثبيت البيولوجي للنيتروجين وإذابة الفوسفات وإنتاج السيدروفور، (ب) المحفزات النباتية، التي تصنع مركبات معينة أو هرمونات نباتية للنبات مثل الأوكسينات أو حمض الإندول الأسيتيك (IAA)، والسيتوكينينات، وحمض الجبرلين (GA) والإيثيلين، (ج) المواد الوقائية الحيوية أو المكافحة الحيوية التي تحمي النباتات من الأمراض عن طريق إنتاج مستقلبات مضادة للفطريات و/أو المضادات الحيوية.
يهدف الفصل الثاني (قيد التقديم في مجلة التحفيز الحيوي والتكنولوجيا الحيوية الزراعية) إلى عزل عزلات بكتيرية محلية جديدة من PGPR من منطقة جذور التربة المتأثرة بالملح في مصر. تم تقييم جميع العزلات لخصائصها المعززة لنمو النبات (PGP) في ظل الظروف الطبيعية والملحية (2٪ كلوريد الصوديوم)، وتم تحديد العزلات الأكثر فعالية باستخدام تقنية RNA الريبوزومى 16S الجزيئية. و تم تحديد عزلتين قويتين وتعريفهما على أنهما سلالاتAlcaligenes sp. E1&E2 . تم بعد ذلك تحسين السلالات المختارة لتعزيز إنتاج IAA وتم تأكيد ذلك من خلال تقنية TLC. كما تم التحقيق من تحمل البكتيريا المعزولة لعوامل بيئية مختلفة (مثل درجة الحموضة ودرجة الحرارة والملوحة). حيث نمت بشكل جيد حتى تركيز 5٪ من كلوريد الصوديوم، ودرجة الحموضة 9.0 وكانت قادرة على البقاء على
قيد الحياة عند 45 درجة مئوية. تم تقييم العزلات المختارة بشكل أكبر كعوامل مكافحة حيوية عن طريق تثبيط نمو الفطريات F. solani و R. solani إما من خلال المستقلبات القابلة للانتشار أو انبعاث المركبات العضوية المتطايرة. تم دعم خاصية تحمل الملح من خلال ملاحظة المجهر الإلكتروني الماسح والتي أظهرت قدرة PGPR المعزولة على تحمل إجهاد الملوحة.كما تم التعرف على العديد من المستقلبات النشطة بيولوجيًا في Alcaligenes sp. E1&E2 بواسطة كروماتوغرافيا الغاز- مطيافية الكتلة ( (GC-MSو لوحظ أن بعض هذه المركبات لها أدور دفاعية ضد الإجهاد الحيوي وغير الحيوي للنبات. تم تقييم الدور المحتمل للعزلات المختارة كمخصب حيوي ولتخفيف الإجهاد الملحي (150 مليمولار كلوريد الصوديوم) وتحسين نمو نبات الذرة فى ظل ظروف الدفيئة. أدى الإجهاد الملحي إلى انخفاض في طول البراعم والجذور ومساحة الأوراق بنسبة 40٪ و 22٪ و 39.9٪ على التوالي مقارنة بالمجموعة الضابطة في الظروف العادية.وعلى الجانب الآخر أظهر تلقيح بذور الذرة بكلا العزلتين Alcaligenes sp. E1&E2 تحسنا ملحوظ (p ≤ 0.05) فى صفات النمو وأنشطة إزالة مضادات الأكسدة والأصباغ الضوئية في نباتات الذرة المزروعة تحت الإجهاد الملحي (150 مليمولار كلوريد الصوديوم) مقارنة بنبات التحكم.
وتناول الفصل الثالث، التطبيقات الواعدة الليزر الأحمر ومحسس الضوء في التحفيز الحيوي للمحاصيل والزراعة المستدامة. تم تعزز تخليق حمض الأندول استيك بواسطة العزلة المختبرة Alcaligenes sp E1 بشكل كبير عند تعرضها لإشعاع الليزر منخفض الكثافة (10 مللى وات) في وجود أو غياب الميثيلين الأزرق كمحسس للضوء. وقد قيمت تجربة الصوبة (الأواني) تأثير المعالجات البكتيرية المختلفة على نمو وتطور شتلات Zea mays L.. في ظل حالتين بيئيتين: بيئة مثالية (غير المجهدة) وظروف مجهدة بالملح (150 مليمولار كلوريد الصوديوم). أدت البكتيريا المحسسة للضوء والمشععة الى تعزيز طول الجذور والبراعم ومساحة الأوراق والوزن الطازج والجاف بشكل كبير بنسبة 49٪ و 44٪ و 42.6٪ و 34٪ و 45.6٪ على التوالي، في ظل الظروف الملحية مقارنة بمجموعة التحكم الغير ملقحة.كما كشف التحليل الإحصائي أن (E1+MB+Laser) أدى إلى زيادة كبيرة في الكلوروفيل أ بنسبة 51٪، والكلوروفيل ب بنسبة 35.6٪، والكاروتينات بنسبة 71٪ مقارنة بالنبات المجهد بالملح. لوحظ انخفاض كبير في تركيز MDA بشكل عام في الشتلات الملقحة بـ E1+MB+L، حيث انخفض تركيز MDA بنسبة 42% مقارنة بالشتلات غير الملقحة. وتم قياس أنشطة مضادات الأكسدة بما في ذلك CAT وSOD وGSH وTAC في النباتات غير الملقحة والملقحة تحت تطبيق 150 مليمولار من كلوريد الصوديوم. إحصائيًا أدى التطبيق البكتيري الى تعزيز نشاط إنزيمات الدفاع مقابلة بالنبات الوحيد المعالج بالملح (الضابط). علاوة على ذلك، يمكن استخدام إشعاع
Alcaligenes sp. E1 بالاشتراك مع مادة محسسة للضوء كنهج بديل واعد وفعال من حيث التكلفة وصديق للبيئة لتعزيز نمو الذرة والتخفيف من الاثار الضارة الناتجة عن الاجهاد الملحى.

Issued also as CD

Text in English and abstract in Arabic & English.