Universität zu Köln

Mari, Alfredo (2018). The association between overlooked microbial eukaryotes and plant holobiont: functionality and diversity. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The plant holobiont is a relatively recent term in biology, introduced to address the assembly composed by the plant itself and its associated microbes. In order to address evolutionary selection within this frame, it becomes necessary to study plant-associated microbes, or microbiome, as a whole. A number of studies underpin the hypothesis that the picture of the plant microbiome is not yet complete in a number of aspects: from the role of abiotic factors in shaping microbial communities, to the whole microbial composition itself. The full comprehension of the microbiome scenario is, however, crucial to address the plant holobiont and therefore plant health. A still overlooked component of the plant microbiome, which I called overlooked microbial eukaryotes, includes a vast range of microbes, spanning from photoautotrophs to parasites, and has been proven to have prominent roles in other contexts such as soil or freshwaters. I applied ecological approaches as well as field experiments in order to address this overlooked component as a key of the still incomplete picture of the plant holobiont. Amplicon sequencing on natural A.thaliana populations from 15 sites in Germany, France, Spain, and Sweden, revealed that overlooked microbial eukaryotes are not occasional partners of the plant holobiont, both epiphytical and endophytical. On the contrary, they are able to widely interact with key hubs of the plant leaf microbiome such as Sphingomonas sp and the family of Caulobacteraceae, independently of the surrounding abiotic factors. Among others, microalgae have proven to be major shapers of microbial diversity for bacteria, fungi, and oomycetes. A newly established network analysis tool revealed that the presence of selected microalgae like Bracteacoccus sp. are linked to fluctuations of the pathogen Pseudomonas viridiflava, opening potential new fields in plant immunity research. The role of microalgae within the plant holobiont is also likely expressed by the symbiosis with lichenising fungi. A tight association between lichenising fungi and potential algal partners was found in shaping the leaf microbial diversity, prominently the epiphytic compartment. Amplicon sequencing on a time course-common garden experiment revealed that, beside microalgae, consumers like amoeboid organisms of the groups Lobosa, Conosa, Ciliophora also shape microbial diversity and follow specific succession patterns over time. XI Furthermore, the key role of overlooked microbial eukaryotes in the plant holobiont seems to be stable even at low concentrations. In fact, pools of low abundant overlooked microbial eukaryotes shape microbial diversity, to an extent never assessed before. In all these experiments, a key finding was the marginal effect of plant ecotype, as well as the marginal effect of latitudinal-climatic factors (with the exception of oomycetes), compared to the impact of overlooked microbial eukaryotes. My work gives novel insights into the ecology and the successions of overlooked microbial eukaryotes, revealing scenarios in which primary producers shape microbial diversity through the presence of single taxon such as Bracteacoccus sp, or together with lichenising fungi. They also influence microbial population through consumers and predators like Ciliophora and Lobosa, which undergo successions over time. My work further supports the autonomy of the assembly of microbial community from the plant host genetic background and from province related features, underpinning a core and multilevel role of overlooked microbial eukaryotes in the plant holobiont.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Der Zusammenhang zwischen versteckten mikrobiellen Eukaryoten und Pflanzenholobiont: Funktionalität und Diversität German
Translated abstract:	Abstract Language Der Pflanzenholobiont ist ein neuartiger Begriff in der Biologie, der eingeführt wurde, um die Gesamtheit der Pflanze selbst und ihrer assoziierten Mikroben zu beschreiben. Um evolutionäre Selektion in diesem Rahmen zu verstehen, ist es notwendig pflanzenassoziierte Mikroben oder Mikrobiome in ihrer gesamten Komplexität zu untersuchen. Eine Reihe von Studien untermauert die Hypothese, dass das Bild des Pflanzenmikrobioms in viele Aspekten noch nicht vollständig ist. Diese Aspekte beinhalten die Rolle der abiotischer Faktoren bei der Zusammensetztung mikrobieller Gemeinschaften bis hin zur gesamten mikrobiellen Zusammensetzung selbst. Das vollständige Verständnis des Pflanzenholobionts ist jedoch entscheidend, da die Zusammensetzung des Mikrobiomes Ausschlag gebend für die pflanzliche Gesundheit ist. Eine noch immer verborgene Komponente des Pflanzenmikrobiomes, die im Verlauf als verdeckte mikrobielle Eukaryoten bezeichnete werden, umfasst eine große Bandbreite von Mikroben, die von photoautotrophen Organismen bis zu Parasiten reichen. In anderen Habitaten wie Böden und Süßwasser wurde bereits gezeigt, dass diese versteckten mikrobiellen Eukaryoten eine herausragende Rolle spielen. Ich habe sowohl ökologische Ansätze als auch Feldexperimente angewendet, um diese verborgene Komponente als Schlüssel für das noch unvollständige Bild des Pflanzenholobionts zu untersuchen. Amplikon-Sequenzierung von natürlichen A.thaliana-Populationen an 15 Standorten in Deutschland, Frankreich, Spanien und Schweden zeigte, dass versteckte mikrobielle Eukaryoten keine gelegentlichen Partner von Pflanzenholobionten sind und sowohl epiphytisch als auch endophytisch vorkommen. Des Weieteren sind sie in der Lage, unabhängig von den umgebenden abiotischen Faktoren mit Schlüsselorganismen des Pflanzenblatt-Mikrobioms, wie Sphingomonas sp. und der Familie der Caulobacteraceae, in Wechselwirkung zu treten. Unter anderem haben sich Mikroalgen als Hauptverursacher der mikrobiellen Vielfalt für Bakterien, Pilze und Oomyceten erwiesen. Das neu etablierte Netzwerkanalyse-Tool zeigte, dass ausgewählte Mikroalgen wie Bracteacoccus sp. zu einer geringeren Konnektivität des Erregers Pseudomonas viridiflava führten und eröffnet neue Möglichkeiten in der Pflanzenimmunitätsforschung. Die Rolle von Mikroalgen innerhalb von Pflanzenholobionten wird wahrscheinlich auch durch die Symbiose mit lichenisierenden Pilzen beeinflusst. Ein Einfluss von XIII lichenisierenden Pilzen und deren potentiellen Algenpartnern auf der mikrobiellen Diversität von Blättern, insbesondere in dem epiphytischen Kompartiment, wurde bereits nachgewiesen. Die Amplicon-Sequenzierung bei einem Zeit-abhängigen Feld-Experiment ergab, dass Konsumenten wie amöboide Organismen der Gruppen Lobosa, Conosa, Ciliophora neben Mikroalgen auch die mikrobielle Diversität beeinflussen und im Laufe der Zeit bestimmte Sukzessionsmuster aufweisen. Darüber hinaus scheint die Schlüsselrolle versteckter mikrobieller Eukaryoten in Pflanzenholobionten auch bei niedrigen Konzentrationen stabil zu sein. In der Tat, prägen Gruppen von wenig abundanten versteckten mikrobiellen Eukaryoten die mikrobielle Diversität in einem Ausmaß, das zuvor noch nie bestimmt wurde. In allen diesen Experimenten war ein Hauptergebnis der marginale Effekt des Pflanzenökotyps sowie der marginale Effekt von Breitengrad und Klimafaktoren (mit Ausnahme von Oomyceten) im Vergleich zu den Auswirkungen verborgener mikrobieller Eukaryoten. Meine Arbeit gibt wichtige Einblicke in die Ökologie und das zeitliche Auftreten von versteckten mikrobiellen Eukaryoten. Darüber hinaus enthüllen meine Ergebnisse Szenarien, in denen Primärproduzenten die mikrobielle Diversität durch die Anwesenheit eines einzelnen Taxons wie Bracteacoccus sp oder zusammen mit lichenisierenden Pilzen formen. Sie beeinflussen auch die mikrobielle Gemeinschaften durch Konsumenten und Prädatoren wie Ciliophora und Lobosa, welche in ihrem Auftreten einem zeitlichen Muster folgen. Meine Arbeit unterstützt auch eine Unabhängigkeit der Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft von dem genetischen Hintergrund der Pflanze und von Breitgrad-bezogenen Merkmalen, was eine Kern- und Multilevel-Rolle verborgener mikrobieller Eukaryoten in Pflanzenholobionten untermaue. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Mari, Alfredo mari@mpipz.mpg.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-85665
Date:	28 May 2018
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > MPI for Plant Breeding Research
Subjects:	Mathematics Agriculture
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Microbial eukaryotes, Algae, green algae, protists, plant holobiont, microbiome, NGS, next generation sequencing, alpha diversity, network analysis, data mining English
Date of oral exam:	23 July 2018
Referee:	Name Academic Title Doehlemann, Gunther Prof. Dr. Kemen, Eric Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/8566