Plant Growth Promotion by Spermidine-Producing Bacillus subtilis OKB105

Resumo

A interação entre plantas e rizobactérias promotoras de crescimento de plantas (RPCP) é um processo complexo e recíproco. Por um lado, compostos vegetais como carboidratos e aminoácidos servem como fontes de energia para as RPCP. Por outro lado, as RPCP promovem o crescimento vegetal sintetizando hormônios vegetais e aumentando a disponibilidade de minerais no solo. Aqui, avaliamos a atividade promotora de crescimento de Bacillus subtilis OKB105 e identificamos genes associados a essa atividade. Os genes yecA (que codifica uma provável permease de aminoácidos/poliaminas) e speB (que codifica agmatinase) estão envolvidos na secreção ou síntese de poliamina em B. subtilis OKB105. A disrupção de qualquer um dos genes aboliu a atividade promotora de crescimento da bactéria, que foi restaurada quando a síntese de poliamina foi complementada. Além disso, a análise por cromatografia líquida de alta eficiência dos filtrados de cultura de OKB105 e seus derivados demonstrou que a espermidina, uma poliamina comum, é o composto promotor de crescimento vegetal pivotal. Adicionalmente, a análise por reação em cadeia da polimerase em tempo real revelou que o tratamento com B. subtilis OKB105 induziu a expressão do gene de expansina (Nt-EXPA1 e Nt-EXPA2) e inibiu a expressão do gene de biossíntese de etileno ACO1. Além disso, a análise por ensaio imunoenzimático mostrou que o conteúdo de etileno nas células radiculares diminuiu em resposta à espermidina produzida por OKB105. Portanto, durante as interações com a planta, OKB105 pode produzir e secretar espermidina, que induz a produção de expansina e reduz os níveis de etileno.

Abstract

The interaction between plants and plant-growth-promoting rhizobacteria (PGPR) is a complex, reciprocal process. On the one hand, plant compounds such as carbohydrates and amino acids serve as energy sources for PGPR. On the other hand, PGPR promote plant growth by synthesizing plant hormones and increasing mineral availability in the soil. Here, we evaluated the growth-promoting activity of Bacillus subtilis OKB105 and identified genes associated with this activity. The genes yecA (encoding a putative amino acid/polyamine permease) and speB (encoding agmatinase) are involved in the secretion or synthesis of polyamine in B. subtilis OKB105. Disruption of either gene abolished the growth-promoting activity of the bacterium, which was restored when polyamine synthesis was complemented. Moreover, high-performance liquid chromatography analysis of culture filtrates of OKB105 and its derivatives demonstrated that spermidine, a common polyamine, is the pivotal plant-growth-promoting compound. In addition, real-time polymerase chain reaction analysis revealed that treatment with B. subtilis OKB105 induced expansin gene (Nt-EXPA1 and Nt-EXPA2) expression and inhibited the expression of the ethylene biosynthesis gene ACO1. Furthermore, enzyme-linked immunosorbent assay analysis showed that the ethylene content in plant root cells decreased in response to spermidine produced by OKB105. Therefore, during plant interactions, OKB105 may produce and secrete spermidine, which induces expansin production and lowers ethylene levels.