Universität zu Köln

Wolinska-Griese, Katarzyna Wiktoria (2021). Tryptophan metabolism and bacterial root commensals synergistically control fungal abundance in roots to promote Arabidopsis thaliana health. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The roots of healthy and asymptomatic plants are colonized by a staggering diversity of microbes, including bacteria, fungi, and oomycetes (i.e. the root microbiota), and yet plants have evolved a complex, multi-layer, immune system that detects microbial invasion and discriminate self from non-self. Although plant innate immunity has been extensively studied under laboratory settings between one specific microbe and one specific plant, our understanding of this complex machinery in a natural (i.e. community) context remains sparse, especially in plant roots. Recent studies indicate that certain sectors of plant immune system, namely phytohormones and tryptophan-derived (Trp-derived) secondary metabolites have an important role in the establishment of the plant microbiota. It is still unknown which pathways are required for a controlled accommodation of commensal microbes, which in return results in plant growth promotion. A major hypothesis is that colonization by both pathogenic and beneficial microbes acts as a selective force on the function of plant innate immunity, forcing task division among different immunity pathways. Using experiments in a natural soil, combined with microbiota reconstitution experiments in a gnotobiotic system with a multi-kingdom synthetic community and a set of immunocompromised plants, I tested the extent to which different plant immune sectors are needed for commensal-induced plant growth promotion. I provide novel evidence for the importance of interaction between bacterial commensals and Trp-derived secondary metabolites biosynthesis pathway and co-receptors BAK1 and BKK1 in beneficial plant-microbiota interactions, especially in mediating beneficial growth-promotion effect in Arabidopsis thaliana (A. thaliana). In this thesis I show that not only growth during vegetative stage is affected in Trp-metabolism and co-receptor mutants, but the mutations affect the plants during their reproductive stage. Particularly, I showed that bacterial commensals and host Trp-derived secondary metabolites act in concert to prevent fungal overgrowth in plant roots and promote host-microbial homeostasis. Additionally, I have developed a working gnotobiotic system which allows accommodation of A. thaliana plants in their reproductive stage, which has potential to highly facilitate future research on the effect of microbiota on plants fitness, giving higher biological relevance of obtained results.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Die Wurzeln gesunder und asymptomatischer Pflanzen werden von einer erstaunlichen Vielfalt von Mikroben besiedelt, darunter Bakterien, Pilze und Oomyceten (dh die Wurzelmikrobiota), und dennoch haben Pflanzen ein komplexes, mehrschichtiges Immunsystem entwickelt, das die Invasion von Mikroben erkennt und Selbst von Nicht-Selbst unterscheidet. Obwohl die angeborene Immunität von Pflanzen unter Laborbedingungen zwischen einer bestimmten Mikrobe und einer bestimmten Pflanze eingehend untersucht wurde, bleibt unser Verständnis dieser komplexen Maschinerie in einem natürlichen (d. h. gemeinschaftlichen) Kontext, insbesondere bei Pflanzenwurzeln, spärlich. Jüngste Studien zeigen, dass bestimmte Sektoren des pflanzlichen Immunsystems, nämlich Phytohormone und von Tryptophan abgeleitete (Trp-abgeleitete) Sekundärmetaboliten, eine wichtige Rolle bei der Etablierung der pflanzlichen Mikrobiota spielen. Es ist noch nicht bekannt, welche Wege für eine kontrollierte Akkommodation von kommensalen Mikroben erforderlich sind, was wiederum zu einer Förderung des Pflanzenwachstums führt. Eine wichtige Hypothese ist, dass die Besiedlung durch pathogene und nützliche Mikroben als Selektionsdruck auf die angeborene Immunität von Pflanzen wirkt und die Aufgabenteilung zwischen verschiedenen Immunitätswegen erzwingt. Anhand von Experimenten in einem natürlichen Erde, kombiniert mit Mikrobiota-Rekonstitutionsexperimenten in einem gnotobiotischen System mit einer synthetischen Gemeinschaft mit mehreren biologischen Königreichen und einer Reihe von immungeschwächten Pflanzen, testete ich, inwieweit verschiedene Pflanzenimmunsektoren für die durch Kommensal induzierte Förderung des Pflanzenwachstums erforderlich sind. Ich liefere neue Beweise für die Bedeutung der Wechselwirkung zwischen bakteriellen Kommensalen und Trp-abgeleiteten Biosynthesewegen der Sekundärmetaboliten und den Co-Rezeptoren BAK1 und BKK1 bei vorteilhaften Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Mikrobiota, insbesondere bei der Vermittlung der vorteilhaften wachstumsfördernden Wirkung von Arabidopsis thaliana (A. thaliana). In dieser Arbeit zeige ich, dass nicht nur das Wachstum im vegetativen Stadium in Trp-Metabolismus und Corezeptor Mutanten beeinflusst wird, sondern dass die Mutationen die Pflanzen während ihres Fortpflanzungsstadiums beeinflussen. Insbesondere zeigte ich, dass bakterielle Kommensalen und von Trp-abgeleitete Sekundärmetaboliten des Wirts zusammenwirken, um das Überwachsen von Pilzen in Pflanzenwurzeln zu verhindern und so die Homöostase zwischen Wirt und Mikroben zu fördern. Zusätzlich habe ich ein funktionierendes gnotobiotisches System entwickelt, das die Unterbringung von A. thaliana-Pflanzen in ihrem Fortpflanzungsstadium ermöglicht und das Potenzial hat, zukünftige Forschungen über die Wirkung von Mikrobiota auf die Fitness von Pflanzen in hohem Maße zu erleichtern, was eine höhere biologische Relevanz der erhaltenen Ergebnisse ergibt. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Wolinska-Griese, Katarzyna Wiktoria wolinska@mpipz.mpg.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-357450
Date:	18 February 2021
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > MPI for Plant Breeding Research
Subjects:	Natural sciences and mathematics Life sciences Agriculture
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language microbiota English plant-microbe interactions English synthetic communities English
Date of oral exam:	18 February 2021
Referee:	Name Academic Title Schulze-Lefert, Paul Prof.Dr. Bucher, Marcel Prof.Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/35745