Endophytic colonization of rice (Oryza sativa L.) by the diazotrophic bacterium Burkholderia kururiensis and its ability to enhance plant growth

ABSTRACT

Burkholderia kururiensis is a diazotrophic bacterium originally isolated from a polluted aquifer environment and presents a high level of similarity with the rice endophyte "B. brasilensis" species. This work assessed the ability of B. kururiensis to endophytically colonize rice plantlets by monitoring different tissues of root-inoculated plants for the presence of bacterial growth in different media, electron microscopy and by 16S rDNA analysis. Observations of roots, stems and leaves of inoculated rice plantlets by electron microscopy revealed B. kururiensis colonization predominantly on root hair zones, demonstrating endophytic colonization primarily through the endodermis, followed by spreading into xylem vessels, a possible pathway leading to aerial parts. Although indifferent for the bacterial growth itself, addition of a nitrogen source was a limiting factor for endophytic colonization. As endophytic colonization was directly associated to an enhanced plant development, production of phytohormone auxin/indole-3-acetic acid by B. kururiensis was assayed with transgenic rice plantlets containing an auxin-responsive reporter (DR5-GUS). Our findings suggest the ability of auxin production by plant-associated B. kururiensis which may have a stimulatory effect on plant development, as evidenced by activation of DR5-GUS. We hereby demonstrate, for the first time, the ability of B. kururiensis to endophytically colonize rice, promoting both plant growth and rice grain yield.

RESUMO

Burkholderia kururiensis é uma bactéria diazotrófica, originalmente isolada de um ambiente aquático poluído e apresenta alto nível de similaridade com a espécie endofítica "B. brasilensis" encontrada na planta de arroz. Este artigo demonstrou a habilidade de B. kururiensis colonizar endofiticamente plântulas de arroz, após esta bactéria ter sido inoculada na raiz das plantas. Esta capacidade foi confirmada pelo crescimento bacteriano em diferentes tecidos da planta, por microscopia eletrônica e pela análise do 16S rADN. Observação por microscopia eletrônica das raízes, caule e folhas das plântulas de arroz inoculadas, revelou predominância da colonização de B. kururiensis na zona pilífera da raiz, demonstrando que a colonização endofítica inicia-se na endoderme, espalha-se pelo xilema, sendo esta a possível via para a bactéria alcançar as partes aéreas. A adição de uma fonte de nitrogênio, embora não tenha influenciado no crescimento bacteriano, foi um fator limitante para a colonização endofítica. Como a colonização endofítica mostrou-se diretamente associada ao aumento no desenvolvimento da planta, a produção do fitohormônio auxina/ácido 3-indolacético pela B. kururiensis foi verificada utilizando uma plântula de arroz transgênica, contendo o repórter responsivo para auxina (DR5-GUS). Nossos resultados sugerem que a produção de auxina pela B. kururiensis é responsável pelo estímulo no desenvolvimento da planta verificado pela ativação do DR5-GUS. Neste trabalho demonstramos, pela primeira vez, a habilidade de B. kururiensis colonizar endofiticamente a planta de arroz, promovendo tanto o aumento no crescimento da planta como a produção de sementes de arroz.