Biocontrol potential of a Bacillus subtilis strain BJ-1 against the rice blast fungus Magnaporthe oryzae

Abstract

The biocontrol strain BJ-1 was isolated from a contaminated Magnaporthe oryzae culture plate and identified as Bacillus subtilis based on morphological characteristics, Biolog Microlog identification and 16S rDNA sequence analysis. The dual culture test showed that BJ-1 has a wide antimicrobial spectrum, and is especially potent against M. oryzae. The culture filtrates of BJ-1 significantly inhibited mycelial growth of M. oryzae P131, caused mycelial disintegration and induced swollen germ tubes. RT-PCR revealed the expressions of seven lipopeptide synthesis genes, encoding surfactin (srfAA and SPAB-ERIB), fengycin (fenB and FENCEA), subtilin (spa and spaS) and bacilysin (BACD) in BJ-1. Application of 1 × 10⁸ CFU mL⁻¹ bacterial cells or 5% culture filtrates of BJ-1 completely suppressed rice blast on detached leaves. In pot experiments, both spray and seed treatments using culture broth provided more than 50% disease suppression on rice blast. Interestingly, rice seeds soaked in culture broth of BJ-1 before planting induced host systemic resistance to inhibit rice blast development and promote plant growth, with disease reduction of over 70%, at a similar level as the fungicide tricyclazole. Expressions of two PR genes (OsPR1a and OsPR10) and three genes (OsPAL, OsICS1 and OsAOS2) known to function in salicylate- and jasmonate-dependent defence signalling pathways in rice plants after seed treatment by culture broth of BJ-1 were significantly induced. This is the first description of the use of B. subtilis as a seed treatment for control of rice blast and these results indicate that B. subtilis BJ-1 is a highly promising biocontrol agent for suppression of rice blast disease.

Résumé

La souche BJ-1 pour la lutte biologique a été isolée à partir d’une boîte de culture de Magnaporthe oryzae contaminée et a été identifiée en tant que Bacillus subtilis en se basant sur les caractéristiques morphologiques, le système d’identification MicroLog de Biolog et l’analyse de la séquence 16S de l’ADNr. Le test de double culture a montré que la souche BJ-1 possède un large spectre antimicrobien et qu’elle est particulièrement efficace contre M. oryzae. Les perméats résultant de la culture de BJ-1 ont significativement inhibé la croissance mycélienne de M. oryzae P131, ont causé la désintégration du mycélium et ont induit le gonflement des filaments germinatifs. La RT-PCR a révélé l’expression de sept gènes de synthèse de lipopeptides codant la surfactine (srfAA et SPAB-ERIB), la fengycine (fenB et FENCEA), la subtiline (spa et spaS) et la bacilysine (BACD) chez BJ-1. L’application de 1 × 10⁸ CFU/ml de cellules bactériennes ou 5% de perméats de cultures de BJ-1 a entièrement éliminé la pyriculariose de feuilles détachées. Lors d’expériences en pots, la pulvérisation et le traitement des semences avec un bouillon de culture ont permis d’éliminer plus de 50% de la pyriculariose. Chose intéressante, le trempage de la semence de riz dans le bouillon de culture de BJ-1 avant la plantation a induit la résistance systémique de l’hôte, ce qui a inhibé le développement de la pyriculariose et favorisé la croissance des plants, avec comme résultat une réduction de plus de 70% de la maladie, ce qui est analogue au résultat obtenu avec le tricyclazole. L’expression de deux gènes PR (OsPR1a et OsPR10) et de trois autres (OsPAL, OsICS1 et OsAOS2), impliqués dans les voies de signalisation de défense dépendantes du salicylate et du jasmonate des plants de riz, a été significativement induite après avoir traité les semences avec le bouillon de culture de BJ-1. Il s’agit de la première description de l’utilisation de B. subtilis en tant que traitement pour semences dans le but de lutter contre la pyriculariose. En outre, ces résultats indiquent que la souche BJ-1 à base de B. subtilis est un agent de lutte biologique fort prometteur en ce qui a trait à la suppression de la pyriculariose.

Keywords:

• Bacillus subtilis
• biocontrol
• induced systemic resistance
• lipopeptide
• Magnaporthe oryzae

Mots clés:

• Bacillus subtilis
• lipopeptide
• lutte biologique
• Magnaporthe oryzae
• résistance systémique induite

Supplementary material

Supplemental data for this article can be accessed online here: https://doi.org/10.1080/07060661.2018.1564792.

Additional information

Funding

This work was funded by the State Key Special Program, China [2017YFD0301400, 2016YFD0300700] and the Key Innovation Program of Hubei Province, China [2017ABA146].