Application of Endophytic Bacillus subtilis and Salicylic Acid to Improve Wheat Growth and Tolerance under Combined Drought and Fusarium Root Rot Stresses

Abstract

In nature, plants are constantly exposed to a varied abiotic and biotic stresses or their combinations, limiting the productivity of major crops, including wheat. Combinations of drought and soil-borne Fusarium-instigated diseases are the most common combinations of stresses, significantly reducing wheat yield around the world. Here, were analyzed the potential of application of endophytic bacteria Bacillus subtilis (strain 10–4) together with the natural signal molecule salicylic acid (SA) to improve growth and tolerance of Triticum aestivum L. (wheat) plants under combined drought and Fusarium culmorum-instigated root rot (FRR) stresses. It was revealed that pre-sowing treatment with B. subtilis 10–4, SA, and B. subtilis 10–4 + SA, both under normal and combined drought conditions, notably reduced (by 50–80% or more) the incidence of FRR development in wheat plants, with the most notable effect for B. subtilis 10–4 + SA (wherein disease symptoms were almost absent). Moreover, B. subtilis 10–4, SA, and especially B. subtilis 10–4 + SA increased plant growth (root and shoot length, fresh and dry biomass) under normal (up to 20–50%), drought (up to 15–40%), FRR (up to 15–30%), and combined drought + FRR stresses (up to 20%), with the maximum effect for B. subtilis 10–4 + SA. Additionally, B. subtilis 10–4, SA, and B. subtilis 10–4 + SA decreased stress (drought, FRR, and combined drought + FRR)-instigated lipid peroxidation and osmotic damages of plant cells. The findings indicate that endophytic bacteria B. subtilis 10–4 alone and in a mixture with SA may be used as an effective eco-friendly agent to improve wheat growth and tolerance under the influence of drought, FRR, and combinations of these stresses.

Endophytism: A Multidimensional Approach to Plant–Prokaryotic Microbe Interaction

“…This technique has also recently been used to explore microbial communities in different samples ( Singer et al, 2016 ; Motooka et al, 2017 ; Pootakham et al, 2017 ). Lastochkina et al (2020) performed RAPD-PCR analysis to confirm the identity of Bacillus subtilis within the internal tissues of T. aestivum L. The endophytic diversity and detailed analysis of endophytic bacterial composition from the commercial crop ( Paullinia cupana ) of Brazil using PCR-DGGE were studied. The study disclosed the presence of phyla Firmicutes, Proteobacteria, Actinobacteria, Bacteroidetes, and Acidobacteria, Firmicutes being the predominant phylum ( Bogas et al, 2015 ).…”

ADAPTATION AND TOLERANCE OF WHEAT PLANTS TO DROUGHT MEDIATED BY NATURAL GROWTH REGULATORS Bacillus spp.: MECHANISMS AND PRACTICAL IMPORTANCE (review)

“…-большая и разнообразная группа полезных непатогенных микроорганизмов, свободно живущих в почве либо населяющих поверхность (ризосферу и филосферу) или внутреннюю часть тканей (эндофиты) растений-хозяев, cпособных индуцировать рост и устойчивость растений к биотическим стрессорам -фитопатогенам (19)(20)(21)(22), насекомым-вредителям (20), нематодам (19), вирусам (20) и абиотическим стрессам -засухе (17,24), засолению (11), перепадам температур (12), токсичным соединениям (14), УФ-излучению (12,13). Это продемонстрировано на примере многих видов растений (17,(25)(26)(27)(28), включая пшеницу (13,(29)(30)(31). Хотя фундаментальные механизмы физиологического действия Bacillus spp.…”

АДАПТАЦИЯ И УСТОЙЧИВОСТЬ РАСТЕНИЙ ПШЕНИЦЫ К ЗАСУХЕ, ОПОСРЕДОВАННАЯ ПРИРОДНЫМИ РЕГУЛЯТОРАМИ РОСТА Bacillus spp.: МЕХАНИЗМЫ РЕАЛИЗАЦИИ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ (обзор)

“…-большая и разнообразная группа полезных непатогенных микроорганизмов, свободно живущих в почве либо населяющих поверхность (ризосферу и филосферу) или внутреннюю часть тканей (эндофиты) растений-хозяев, cпособных индуцировать рост и устойчивость растений к биотическим стрессорам -фитопатогенам (19)(20)(21)(22), насекомым-вредителям (20), нематодам (19), вирусам (20) и абиотическим стрессам -засухе (17,24), засолению (11), перепадам температур (12), токсичным соединениям (14), УФ-излучению (12,13). Это продемонстрировано на примере многих видов растений (17,(25)(26)(27)(28), включая пшеницу (13,(29)(30)(31). Хотя фундаментальные механизмы физиологического действия Bacillus spp.…”

“…Так, из исследованных 363 эпифитных и 373 эндофитных бактерий доля ИУК-продуцирующих эндофитов составляла 34 %, а эпифитов -21 % (79). Еще одна важная группа фитогормонов, продуцируемых Bacillus spp., -цитокинины, регулирующие прорастание семян, деление клеток в корнях и побегах растений, открытие устьиц, мобилизацию питательных веществ в условиях засухи (23,28,31). Сообщается, что 90 % P-солюбилизирующих бактерий обладают способностью продуцировать цитокинины in vitro (23).…”