Experimental systems to explore the competitiveness of root-associated bacteria and its relevance for community establishment

Hassani, Mohamed Amine (2017). Experimental systems to explore the competitiveness of root-associated bacteria and its relevance for community establishment. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Bacteria colonize diverse ecosystems, including the plant roots. Plant root-associated bacteria derive mainly from the surrounding soil and they are important for the host growth and health. Soil properties and root-derived organic molecules are two factors that shape the plant root- associated microbiota. However, bacteria live in multispecies associations where competitive interactions do not only alter their growth, but also the community diversity, structure and stability. In this study, I assessed the role of bacteria-bacteria interactions in the establishment of bacterial communities using different experimental systems. By combining genomic, metabolomic and phenotypic studies, I explored the competitive potential of 198 bacterial isolates that are mainly derived from the roots of Arabidopsis thaliana. Comparative genomes analysis revealed that the bacteria harbor diverse biosynthetic gene clusters that encode enzymatic pathways for the biosynthesis of diverse specialized metabolites, including antimicrobials. The metabolomic study revealed that several bacterial strains secrete genome- predicted antimicrobials. Moreover, the screen for mutual inhibitions revealed that 66% of the isolates engage in at-distance antagonistic interactions. The screen for mutual inhibitions did not only reveal interesting phylogenetic and ecological patterns in inter-bacterial competition, but also provided a ground for defining highly competitive or highly sensitive community members. By defining two groups of bacteria with contrasting competitive potential, I tested the role of bacteria-bacteria interactions in the establishment of microbial communities in liquid microcosms and in planta. The perturbation experiments revealed that highly competitive strains are important for the maintenance of the community diversity and structure in liquid microcosms, whereas the A. thaliana root-associated microbiota were resilient to the applied perturbations. This study indicates that inter-bacterial interactions are important for the community diversity and stability in a niche-dependent manner.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

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Abstract

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Bakterien kolonisieren verschiedene Ökosysteme, wozu auch die Pflanzenwurzeln zählen. Pflanzenwurzeln-assoziierte Bakterien sind wichtig für das Pflanzenwachstum und die Pflanzengesundheit und stammen meistens von der umliegenden Erde. Biotische Faktoren aus der Erde und aus dem Wurzelsystem stammende organische Moleküle sind zwei bekannte Faktoren, die die wurzelassoziierten Mikrobiota in Pflanzen prägen. Bakterien leben in Verbänden mit anderen Bakterien zusammen, in denen konkurrenzfähige Interaktionen nicht nur ihr Wachstum beeinflussen, sondern auch die Diversität der Gemeinschaft, die Struktur und Stabilität. In dieser Arbeit wird die Funktion von Bakterien-Bakterien Interaktionen bei der Gründung von bakteriellen Gemeinschaften in verschiedenen Ökosystemen untersucht. Durch die Kombination von genomischen, metabolomischen und phänotypischen Untersuchungen untersuchten wir das wettbewerbsfähige Potential von 198 Bakterien-Isolaten, die hauptsächlich aus den Wurzeln von Arabidopsis thaliana stammen. Vergleichende Genomanalysen zeigten, dass die Bakterien unterschiedliche biosynthetische Gencluster beherbergen, die enzymatische Signalwege für die Biosynthese verschiedenener spezifischer Metaboliten, einschließlich antimikrobieller Substanzen, kodieren. Die Metabolomanalyse zeigte, dass Bakterien antimikrobielle Substanzen sekretieren, die im Genom vorhergesagt sind. Zudem zeigte der Screen für gegenseitige Inhibitionen, dass 66% der Isolate an „at-distance“ antagonistischer Aktivität beteiligt sind. Der Screen für wechselseitige Inhibitionen zeigte nicht nur interessante phylogenetische und ökologische Muster, sondern lieferte auch den Grundstein für die Auswahl von stark wettbewerbsfähigen und stark suszeptiblen Gemeinschaftsmitgliedern. Durch die Definierung zweier Gruppen von Bakterien mit gegensätzlichem wettbewerbsfähigem Potential, testeten wir die Rolle von Bakterien-Bakterien Interaktionen bei der Gründung von mikrobiellen Gemeinschaften in flüssigem Microkosmos und in planta. Perturbationsexperimente zeigten, dass stark wettbewerbsfähige Bakterien wichtig sind für den Erhalt der Diversität und Struktur der bakteriellen Gemeinschaft im flüssigen Mikrokosmos, während wurzelassoziierte Mikrobiota in Arabidopsis belastbar gegenüber Störungen waren. Diese Arbeit liefert Hinweise darauf, dass interbakterielle Interaktionen in einer Ökosystem-abhängigen Weise wichtig für die Errichtung der bakteriellen Gemeinschaft sind.

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