Universität zu Köln

Mahdi, Lisa ORCID: 0000-0003-1559-5492 (2023). Characterization of the Mechanisms underlying Plant-Microbe Multipartite Interactions. PhD thesis, Universität zu Köln.

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• Characterization of the Mechanisms underlying Plant-Microbe Multipartite Interactions. (deposited UNSPECIFIED)

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Abstract

In nature, plants constantly interact with a multitude of microorganisms, collectively called the plant microbiota. Intimate associations and interdependencies between the plant and its microbiota result in a modulation of plant traits that ultimately determine plant health and yield production. Thus, unraveling the interaction networks, molecular mechanisms, and influencing factors that underlie plant-microbiota interactions is a prerequisite for developing future sustainable agricultural strategies. Fungi of the ecologically relevant order Sebacinales feature a wide geographical distribution and host range. Root colonization by Sebacinales like Serendipita vermifera and Serendipita indica leads to beneficial effects for the host, including increased biomass and resistance to biotic and abiotic stresses. Yet little is known about factors and mechanisms that shape these widespread beneficial interactions. The studies comprised in this thesis aim to investigate the nature and relevance of the beneficial effects of Sebacinales on the host in multiple interactions. The first study addressed the effects of the beneficial root endophyte Serendipita vermifera (Sv) and the cereal pathogen Bipolaris sorokiniana (Bs) on barley in a tripartite system. We showed that Sv exerts a biocontrol function by reducing pathogen colonization and host disease symptoms. Comparing the local and systemic transcriptional responses of all organisms in a gnotobiotic soil-based split-root system, we found that despite some degree of systemic protection, the major antagonistic effects were exerted upon direct contact and exhibited signs of mycoparasitism. In the second study, the tripartite setup was extended by including a second plant host and bacterial synthetic communities (SynCom) to investigate the influence of biotic factors on the Sv-mediated beneficial traits. The combined presence of Sv and members of the core bacterial microbiota provides synergistic protection against Bs on both host plants. In addition, host- and microbe-dependent synergistic early growth promotion was observed. RNA-sequencing analysis revealed that these beneficial activities are not associated with extensive host transcriptional reprogramming but rather with the modulation of expression of fungal effectors and carbohydrate-active enzymes (CAZymes). Abstract 1 Therefore, the third study investigated the regulation of Sv effector and CAZyme expression in biotic interactions, including interactions with three plant hosts, a fungus or a bacterial SynCom at four time points. RNA-seq analysis identified commonalities and differences in the Sv transcriptome during fungal accommodation in planta or microbe-microbe confrontation in the absence of the host. Further, a Sv chitinase was identified and characterized as a determinant of fungal antagonism. The fourth study investigated the Bs-induced expression of barley HvKSL4 and HvCPS2, that was observed in the original tripartite setup. This led to the identification of a barley gene-cluster for barley diterpene synthesis and was a first step in decifering the role of a secreted barley diterpene during biotic interactions. Finally, a protocol to monitor plant health and cell death via Ion leakage and Pulse Amplitude Fluorometry (PAM) was developed. This method is suitable for future multipartite setups as well as for chemical treatments and particularly useful for large- scale screenings. The studies comprised in this thesis expand our knowledge in the fields of plant-microbe interactions and biocontrol and lay the foundation for answering future research questions.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language In der Natur interagieren Pflanzen kontinuierlich mit einer Vielzahl von Mikroorganismen, die zusammenfassend als Mikroflora bezeichnet werden. Die enge Assoziation und wechselseitigen Abhängigkeiten zwischen der Pflanze und ihrer Mikroflora führt zu einer Modulation von Pflanzenmerkmalen, die unmittelbar im Bezug zu Pflanzengesundheit und -ertrag stehen. Das Ergründen der Netzwerke, molekularen Mechanismen und Einflussfaktoren von Pflanzen-Mikroben-Interaktionen ist daher eine Voraussetzung für die Entwicklung zukunftsfähiger landwirtschaftlicher Strategien. Die ökologisch bedeutende Ordnung der Wachskrustenartigen (Sebacinales) weist eine weite geographische Verbreitung und ein breites Spektrum an Wirtspflanzen auf. Die Kolonisierung der Wirtswurzeln durch Sebacinales Pilze wie Serendipita vermifera und Serendipita indica führt zu der Ausprägung positiver Pflanzenmerkmale, wie einer gesteigerten Biomasse und dem Schutz gegen biotische und abiotische Stressfaktoren. Die Faktoren und Wirkmechanismen, welche diese nützliche Interaktion beeinflussen, sind jedoch bisher noch unzureichend verstanden. Die Studien im Kontext dieser Doktorarbeit haben zum Ziel die Art und Relevanz der positiven Effekte auf die Wirtspflanze durch Sebacinales in verschiedenen Interaktionen zu untersuchen. In der ersten Studie wurden die Effekte des Wurzelendophyten Serendipita vermifera (Sv) und des Getreidepathogens Bipolaris sorokiniana (Bs) in einem trilateralen System mit Gerste getestet. Wir zeigen, dass Sv eine Biokontroll-Funktion aufweist, da der Pilz die Kolonisierung des Pathogens sowie die Pathogen-induzierten Krankheitssymptome an der Wirtspflanze reduziert. Unter Verwendung eines gnotobiotischen, Erde-basierten Systems, dass das Wurzelsystem der Wirtspflanze in zwei separate Abschnitte teilt, haben wir die lokale und systemische transkriptionelle Reaktion der drei Organismen untersucht. Neben einem gewissen systemischen Schutz fand der Großteil des Antagonismus in direktem Kontakt beider Pilze statt und wies mykoparasitäre Züge auf. Im Rahmen der zweiten Studie wurde der trilaterale Versuchsaufbau durch das Integrieren einer zweiten Wirtspflanze und synthetischen bakteriellen Gemeinschaften Kurzzusammenfassung 3 erweitert, um die Einflüsse biotischer Faktoren auf die positiven Effekte von Sebacinales auf die Wirtspflanze zu untersuchen. Die gemeinschaftliche Anwesenheit von Sv und Mitgliedern der bakteriellen Kern-Mikroflora schützt beide Wirtspflanzen synergistisch vor Bs. Zusätzlich wurde eine Wirtspflanzen- und Mikroben-spezifische Wachstumsförderung beobachtet. RNA-Sequenzierungen haben gezeigt, dass sowohl der Schutz als auch die Wachstumsförderung nicht mit einer intensiven transkriptionellen Reprogrammierung der Wirtspflanze zusammenhängen, sondern vielmehr mit der Modulation der Expression von pilzlichen Effektoren und Kohlenhydrat-aktiven Enzymen. In der dritten Studie wurde daher die Regulierung der Geneexpression von Sv Effektoren in verschiedenen biotischen Interaktionen wie der Interaktion mit drei verschiendenen Wirtspflanzen, einem Pilz oder einer synthetischen bakteriellen Gemeinschaft über vier Zeitpunkte hinweg untersucht. RNA-Sequenzierungen offenbarte Gemeinsamkeiten und Unterschiede in der transkriptionellen Regulierung während der Kolonisierung von Wirtspflanzen im Vergleich mit der Interaktion mit Mikroorganismen. Weiter wurde eine Sv Chitinase als relevant in der Interaktion mit Bs identifiziert. Im Rahmen der vierten Studie wurde die Bs-induzierte Expression der Gerstegene HvKSL4 und HvCPS2 untersucht, die wir im ursprünglichen trilateralen System beobachtet hatten. Dies führte zu der Identifikation des ersten Gen-Clusters, dass in die Produktion von Gerste Diterpenen involviert ist. Ergänzend haben wir damit begonnen die Funktion eines sekretierten Gerste Diterpens in biotischen Interaktionen zu entschlüsseln. Zuletzt wurde ein Protokoll zur Messung pflanzlicher Gesundheit und pflanzlichen Zelltods mittels Ion Leakage und Puls Amplituden Fluorometrie (PAM) etabliert. Die Methode kann in der Zukunft sowohl für biotische als auch für chemische Anwendungen an Pflanzen verwendet werden und ist besonders für groß angelegte Versuchsaufbaue geeignet. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Mahdi, Lisa lmahdi@uni-koeln.de orcid.org/0000-0003-1559-5492 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-652165
Date:	2023
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Botanical Institute
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language multipartite interactions English Sebacinales English inter-kingdom beneficial effects English
Date of oral exam:	3 March 2023
Referee:	Name Academic Title Zuccaro, Alga Prof. Dr. Kopriva, Stanislav Prof. Dr. Rose, Laura Prof. Dr.
Funders:	SPP 2125 DECRyPT, IMPRS Graduate school
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/65216