Universität zu Köln

Dombrowski, Nina (2015). Structural and functional analysis of the bacterial root microbiota of Arabidopsis thaliana and relative species. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Plants that reside in the soil interact with a plethora of organisms, such as nematodes, fungi, oomycetes or bacteria. Soil bacteria can colonize the rhizosphere and roots of plants and influence plant growth via interference with hormones, mobilization of nutrients or suppression of phytopathogens. With the advances in the last years, we begin to understand the structure of the root and rhizosphere bacterial microbiota and the factors that influence community assembly. However, remarkably little is known about the stability and functional abilities of bacteria in a community context. To address these gaps, two approaches were undertaken that will be discussed in two chapters within this study. In the first chapter, I compared root bacterial communities of the plant species Arabidopsis thaliana, Cardamine hirsuta and Arabis alpina to the corresponding soil microbiota by pyrosequencing of 16S rRNA gene amplicon libraries. Further, A. alpina was used as a model system to dissect the influence of residence time of plants in the soil, plant developmental stage and growth under natural conditions on bacterial community structure using Illumina sequencing. Additionally, I isolated bacteria from roots of the three plants species and assessed their influence on plant growth. Using this experimental setup, I demonstrated that the tested Brassicaceae plant species assembled highly similar bacterial root communities and only few quantitative differences allowed to distinguish the three host plant species. By this a shared bacterial microbiota was defined that consisted of a few bacterial families. The major factors determining community composition were the compartment, soil type, time and environmental conditions. Surprisingly, plant species and plant developmental stage influenced bacterial communities only to a minor extent. Finally, several bacterial members of the root microbiota were successfully isolated and a high number of isolates positively affected root growth of A. thaliana, C. hirsuta and A. alpina in mono-associations as well as in synthetic communities. In the second chapter, I isolated rhizobia from roots of A. thaliana and tested 22 isolates on their ability to affect plant growth under different nutrient conditions using a gnotobiotic growth assay. One Rhizobium was more closely investigated and the proliferation on plant roots, as well as phenotypic and transcriptional changes induced by this Rhizobium, were monitored in a time-resolved manner, the latter by RNA-Sequencing. Based on this approach, I established that members of the rhizobial population act as plant growth-promoting rhizobacteria that affect primary root growth under various nutrient conditions and A. thaliana accessions. Rhizobia were able to proliferate on the root system and induced transcriptional changes that were associated with hormone homeostasis, nutrient availability and enhanced stress tolerance.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Pflanzen leben im Boden in Wechselwirkung mit einer Vielzahl von Organismen, wie Nematoden, Pilzen und Bakterien. Boden-Bakterien können sowohl die Rhizosphere als auch die Wurzel von Pflanzen besiedeln und beeinflussen das Pflanzenwachstum durch Modulation von Phytohormonen, Mobilisierung von Nährstoffen oder Inhibierung von Pathogenen. Durch die Entwicklung neuer Sequenziertechnologien hat das Verständnis über die Struktur von bakteriellen Gemeinschaften in Assoziation mit Pflanzen zugenommen. Jedoch bleibt weiterhin im Unklaren, welche Faktoren die Struktur von Bakteriengemeinschaften beeinflussen, wie stabil diese Gemeinschaften sind und was die Funktion von Bakterien in Wechselwirkung mit anderen Bakterien ist. Im ersten Teil meiner Arbeit habe ich bakterielle Gemeinschaften im Boden und assoziiert mit der Wurzel von Arabidopsis thaliana, Cardamine hirsuta und Arabis alpina mittels Pyrosequenzierung des bakteriellen 16S rRNA Genes bestimmt. A. alpina diente im weiteren Verlauf der Experimente als Modelsystem zur Evaluierung, inwiefern verschiedene Faktoren, wie Bodentyp, Verweildauer der Pflanze im Boden, Pflanzenentwicklungsstadium oder Wachstum unter natürlichen Umweltbedingungen, die Struktur von Bakteriengemeinschaften beeinflussen. Zuletzt habe ich Bakterien von Wurzeln isoliert und diese auf ihren Einfluss auf das Pflanzenwachstum geprüft. Hier konnte ich zeigen, dass die verschiedenen Pflanzenspezies ähnliche bakterielle Gemeinschaften assemblieren und nur durch wenige quantitative Unterschiede zu differenzieren sind. Die Hauptfaktoren, welche die Zusammensetzung von bakteriellen Gemeinschaften beeinflussen sind der Bodentyp, die Verweildauer der Pflanze im Boden und das Wachstum unter natürlichen Umweltbedingungen. Überraschenderweise spielten die Pflanzenart und das Entwicklungsstadium der Pflanze nur eine untergeordnete Rolle für die Assemblierung bakterieller Gemeinschaften. Bakterien konnten erfolgreich vom Wurzeln isoliert werden und ein Großteil der geprüften Isolate beeinflusste die Wurzellänge von A. thaliana, C. hirsuta und A. alpina. Im zweiten Teil wurden Rhizobien, eine Gruppe von Wurzel-assoziierten Bakterien, genauer untersucht. Dafür wurden Rhizobien von Pflanzenwurzeln isoliert und 22 Isolate auf ihren Einfluss auf das Wachstum von A. thaliana geprüft. Ein Rhizobien-Exemplar wurde sowohl auf dessen Anreicherung auf der Wurzel als auch auf die phänotypische und transkriptionelle Beeinflussung des Wurzelwachstums analysiert. Durch diese Vorgehensweise konnte gezeigt werden, dass Rhizobien das Wurzelwachstum unter verschiedensten Nährstoffbedingungen fördern und auch auf der Wurzel über die Zeit angereicht werden. Inokulation von Rhizobium stimulierte transkriptionelle Veränderungen in der Wurzel von A. thaliana, welche mit Hormon-Homöostase, Nährstoffaufnahme und Stresstoleranz assoziiert waren. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Dombrowski, Nina n_dombrowski@yahoo.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-61019
Date:	2015
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > MPI for Plant Breeding Research
Subjects:	Life sciences Agriculture
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Root Microbiota, Arabidopsis, Arabis, Cardamine. Rhizobia. Plant-growth promotion. UNSPECIFIED
Date of oral exam:	15 April 2015
Referee:	Name Academic Title Schulze-Lefert, Paul Prof. Dr. Zuccaro, Alga Prof. Dr. Coupland, George Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6101