ABSTRACT N ‐acyl‐L‐homoserine lactone (AHL) signal molecules are utilized by Gram‐negative bacteria to monitor their population density (quorum sensing) and to regulate gene expression in a density‐dependent manner. We show that Serratia liquefaciens MG1 and Pseudomonas putida IsoF colonize tomato roots, produce AHL in the rhizosphere and increase systemic resistance of tomato plants against the fungal leaf pathogen, Alternaria alternata . The AHL‐negative mutant S. liquefaciens MG44 was less effective in reducing symptoms and A. alternata growth as compared to the wild type. Salicylic acid (SA) levels were increased in leaves when AHL‐producing bacteria colonized the rhizosphere. No effects were observed when isogenic AHL‐negative mutant derivatives were used in these experiments. Furthermore, macroarray and Northern blot analysis revealed that AHL molecules systemically induce SA‐ and ethylene‐dependent defence genes (i.e. PR1a, 26 kDa acidic and 30 kDa basic chitinase). Together, these data support the view that AHL molecules play a role in the biocontrol activity of rhizobacteria through the induction of systemic resistance to pathogens.

The soil-borne pathogen Rhizoctonia solani is responsible for crop losses on a wide range of important crops worldwide. The lack of effective control strategies and the increasing demand for organically grown food has stimulated research on biological control. The aim of the present study was to evaluate the rhizosphere competence of the commercially available inoculant Bacillus amyloliquefaciens FZB42 on lettuce growth and health together with its impact on the indigenous rhizosphere bacterial community in field and pot experiments. Results of both experiments demonstrated that FZB42 is able to effectively colonize the rhizosphere (7.45 to 6.61 Log 10 CFU g−1 root dry mass) within the growth period of lettuce in the field. The disease severity (DS) of bottom rot on lettuce was significantly reduced from severe symptoms with DS category 5 to slight symptom expression with DS category 3 on average through treatment of young plants with FZB42 before and after planting. The 16S rRNA gene based fingerprinting method terminal restriction fragment length polymorphism (T-RFLP) showed that the treatment with FZB42 did not have a major impact on the indigenous rhizosphere bacterial community. However, the bacterial community showed a clear temporal shift. The results also indicated that the pathogen R. solani AG1-IB affects the rhizosphere microbial community after inoculation. Thus, we revealed that the inoculant FZB42 could establish itself successfully in the rhizosphere without showing any durable effect on the rhizosphere bacterial community.

The commercially available inoculant Bacillus amyloliquefaciens FZB42 is able to considerably reduce lettuce bottom rot caused by Rhizoctonia solani. To understand the interaction between FZB42 and R. solani in the rhizosphere of lettuce, we used an axenic system with lettuce bacterized with FZB42 and inoculated with R. solani. Confocal laser scanning microscopy showed that FZB42 could delay the initial establishment of R. solani on the plants. To show which secondary metabolites of FZB42 are produced under these in-situ conditions, we developed an ultra-high performance liquid chromatography coupled to time of flight mass spectrometry-based method and identified surfactin, fengycin, and bacillomycin D in the lettuce rhizosphere. We hypothesized that lipopeptides and polyketides play a role in enhancing the plant defense responses in addition to the direct antagonistic effect toward R. solani and used a quantitative real-time polymerase chain reaction-based assay for marker genes involved in defense signaling pathways in lettuce. A significant higher expression of PDF 1.2 observed in the bacterized plants in response to subsequent pathogen challenge showed that FZB42 could enhance the lettuce defense response toward the fungal pathogen. To identify if surfactin or other nonribosomally synthesized secondary metabolites could elicit the observed enhanced defense gene expression, we examined two mutants of FZB42 deficient in production of surfactin and the lipopetides and polyketides, by expression analysis and pot experiments. In the absence of surfactin and other nonribosomally synthesized secondary metabolites, there was no enhanced PDF 1.2-mediated response to the pathogen challenge. Pot experiment results showed that the mutants failed to reduce disease incidence in lettuce as compared with the FZB42 wild type, indicating, that surfactin as well as other nonribosomally synthesized secondary metabolites play a role in the actual disease suppression and on lettuce health. In conclusion, our study showed that nonribosomally synthesized secondary metabolites of FZB42 are actually produced in the lettuce rhizosphere and contribute to the disease suppression by mediating plant defense gene expression toward the pathogen R. solani.