Structure and assembly cues of Arabidopsis root-inhabiting bacterial communities and comparative genomics of selected Rhizobium members

Rott, Matthias (2013). Structure and assembly cues of Arabidopsis root-inhabiting bacterial communities and comparative genomics of selected Rhizobium members. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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The plant root defines the interface between a multicellular eukaryote and soil, one of the richest microbial ecosystems on earth. Soil bacteria are able to colonize the root surface and even multiply inside roots as benign endophytes. Some of these bacteria modulate plant growth and development, with implications ranging from enhanced nutrition to resistance against pathogens. In this study a high-resolution methodology based on pyrosequencing of the bacterial 16S rRNA marker gene was adopted to characterize and compare soil and root-inhabiting bacterial communities. Our results show that roots of Arabidopsis thaliana, grown in different natural soils under controlled environmental conditions, are preferentially colonized by Proteobacteria, Bacteroidetes and Actinobacteria, and each bacterial phylum is represented by a dominating class or family of bacteria. Soil type defines the composition of root-inhabiting bacterial communities whereas the host genotype modulates their profiles only to a limited extent. Furthermore, bacterial communities associated to wooden sticks, representing a metabolically inactive lignocellulosic matrix for bacterial colonization, were analyzed to deconvolute actively recruited from opportunistic root microbiota members. This comparison showed that plant cell wall features appear to provide a sufficient cue for the assembly of app. 40% of the Arabidopsis root microbiota. This root- and wood-shared sub-community was mainly composed by Betaproteobacteria. In contrast, specifically recruited members of the root-inhabiting bacteria, mostly Actinobacteria, depended on cues from metabolically active host cells, defining a root-specific sub-community. This culture-independent survey of the Arabidopsis root-associated bacteria was utilized to guide a targeted cultivation-based approach resulting in the isolation of members of both sub-communities of the Arabidopsis root-inhabiting bacterial microbiota. Several Rhizobium spp., which are either members of the shared or specific sub-communities, were isolated from Arabidopsis roots in pure culture and tested for plant growth promotion capabilities. Upon inoculation in a gnotobiotic system, Rhizobium spp. isolated from the specific sub-community increased shoot fresh weight of Arabidopsis, while a Rhizobium strain from the shared sub-community was not able to promote plant growth. Comparative whole-genome analysis of independent exemplars of the isolated Rhizobium spp. revealed differential gene enrichments among members of both sub-communities. Particularly, the amplification and divergence of transcription factor genes might represent a signature of differential habitat adaptation. This culture-based approach backed by a broad scale culture-independent survey sets the stage to advance from descriptive characterization of bacterial communities to testing the functional significance of plant-microbiota interactions.

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Thesis (PhD thesis)

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Abstract

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Die Pflanzenwurzel bildet die Kontaktfläche eines Eukaryoten und Boden, einem der artenreichsten Habitate auf der Erde. Bodenbakterien können sowohl die Wurzeloberfläche, als auch das Wurzelinnere besiedeln. Einige dieser Bakterien sind in der Lage, das Wachstum und die Entwicklung der Pflanze zu beeinflussen, mit Auswirkungen auf die Nährstoffaufnahme bis hin zur Schädlingsresistenz. In der vorliegenden Arbeit wurde eine kultivierungsunabhängige auf Pyrosequenzierung beruhende Methode angepasst, um bakterielle Gemeinschaften des Bodens und der Wurzel zu charakterisieren und zu vergleichen. Die Untersuchungen zeigten, dass Arabidopsis thaliana Wurzeln, die unter kontrollierten Umweltbedingungen in verschiedenen Böden angezogen wurden, überwiegend von Proteobakterien, Bakteroidetes und Actinobakterien besiedelt werden. Jedes dieser Phyla wird dabei durch eine Klasse oder Familie von Bakterien dominiert. Die Zusammensetzung der Wurzel-besiedelnden Bakteriengemeinschaften wird hauptsächlich durch den Bodentyp bestimmt, während der Genotyp der Pflanze nur einen geringen Einfluss ausübt. Weiter haben wir die bakteriellen Gemeinschaften in der lebenden Wurzel mit denjenigen von metabolisch inaktivem Holz verglichen. Dieser Vergleich zeigte, dass Zellwandbestandteile wie Lignocellulose als Besiedelungssignal für 40% der wurzelbesidelnden Bakterien ausreichend sind. Diese Teilgemeinschaft, die Pflanzenwurzeln und Holz gemeinsam haben, besteht hauptsächlich aus Betaproteobakterien. Der Vergleich mit Holz zeigte auch eine hauptsächlich aus Actinobakterien bestehende wurzelspezifische Teilgemeinschaft auf, die im Gegenzug Besiedelungssignale von metabolisch aktiven Wurzeln benötigt. Diese kultur-unabhängige Untersuchung wurde für einen zielgerichteten Kultivierungsansatz zum Studieren der wurzel-assoziierten Bakterien verwendet. Dabei wurden mehrere Rhizobium spp. Bakterien aus den spezifischen und auch gemeinsamen Teilgemeinschaften isoliert. Diese Isolate wurden auf die Fähigkeit hin Pflanzenwachstum zu verstärken getestet. Inokulation von Arabiopsis mit Rhizobium spp. der spezifischen Teilgemeinschaft führte zu einem erhöhten Frischgewicht des Sprosses, während ein unspezifisches Rhizobium sp. nicht in der Lage war, das Pflanzenwachstum zu verstärken. Die vergleichende Genomanalyse unabhängig isolierter Exemplare der Rhizobium spp. zeigte eine spezifische Anreicherungen von Gengruppen in den jeweiligen Teilgemeinschaften. Diese Gengruppen beinhalten vor allem Transkriptionsfaktor-codierende Gene, was auf eine Habitatanpassung durch Gen-Duplikationen und Gen-Diversifizierungen von Transkriptionsfaktoren hindeutet. Dieser Kultur-abhängge Ansatz, auf der Basis des Kultur-unabhängigen Zensus der bakteriellen Gemeinschaft, ist die Grundlage für den Fortschritt von einer rein deskriptiven Charakterisierung, hin zu einer funktionellen Analyse der Interaktionen zwischen Pflanzen und ihrer Mikrobiota.

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