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ECF sigma factors: how endophytes sense the plants

Tezerji Raheleh Sheibani

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium NAWI Bereich Lebenswissenschaften (Dissertationsgebiet: Biologie)

Betreuer*in

Thomas Rattei

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URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29144.46719.690955-9

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Endophytische Bakterien haben ein breites Spektrum an Wirkungen auf ihre Wirtspflanze um deren Produktivität zu steigern. Daher sind sie im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit im Bestreben eine nachhaltigen Landwirtschaft in einer sich rapide ändernden Umgebung zu schaffen. Die Interaktion zwischen endophytischen Bakterien und ihren Wirtspflanzen hat Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum, die Nährstoffaufnahme, Schutz gegen Krankheitserreger und auf die biotischen / abiotische Stresstoleranz Das primäre Ziel meiner Doktorarbeit ist es, die Mechanismen der Kommunikation zwischen Endophyten und ihrer Wirtspflanze sowie die Anpassung von endophytischen Bakterien an ihre Umgebung in der Wirtspflanze zu erforschen. Whole Transkriptom-Sequenzierung von Burkholderia phytofirmans PsJN in kolonisierten Kartoffelpflanzen (Solanum tuberosum L.) ermöglichte die Analyse der in planta Genaktivität und die Reaktion von PsJN auf Stressfaktoren der Wirtspflanze mittels Hoch-Durchsatz RNA-seq Analyse und TaqMan-qPCR. Im Hinblick auf die breite Palette an Funktionen welche auf dem Genom von PsJN codiert sind, zeigt meine Analyse, dass während der Austrocknung der Pflanze hochregulierte Transkripte hauptsächlich beteiligt sind an der Transkriptionsregulation, zellulärer Homöostase und der Entgiftung von reaktiven Sauerstoff. Dies weist auf die oxidative Stressreaktion in PsJN hin. Endophyten reagieren auf Veränderungen in der Physiologie von Pflanze bzw. Samen aufgrund von Stressreaktionen und passen sich durch veränderung der Genexpressionsmuster an die veränderten Bedingungen an. Darüber hinaus habe ich genetischen Eigenschaften identifiziert, die die phänotypischen Unterschiede zwischen nahe verwandten endophytisch, commensal und pathogene Bakterien in Bezug auf ihre Interaktion mit der Wirtspflanze erklären könnten. Hier untersuchte ich drei kürzlich entdeckte, eng verwandte Pantoea ananatis Stämme (genannt S6, S7 und S8) sowie deren Wirkung auf die Mais-Wirtspflanze. Obwohl die Stämme aus Samen von gesunden Pflanzen isoliert wurden, zeigten sie unterschiedliche Merkmale in Bezug auf das Pflanzenwachstum und die Gesundheit der Maispflanzen, von einer pathogenen (S7) zu einer neutralen (S8) bis hin zu einer vorteilhaften, wachstumsfördernden Wirkung (S6). Trotz der hohen Ähnlichkeit der Genome der drei Stämme zeigt meine vergleichende Analyse, dass genomische Unterschiede bestehen, vor allem in der Komponenten der Zelloberfläche, in Motilität verwandten Proteinen, Proteinen des Typ VI-Sekretionssystems, Transposon / Integrase / Phagen-verwandte Gene und Proteinen, welche eukaryotische Domänen enthaltenden. Neben der landwirtschaftlichen Bedeutung der Interaktion zwischen endophytischen Bakterien und Pflanzen, spielt auch die Schutzwirkung durch die Interaktion zwischen Endophyt und Pflanzensamen eine wichtige Rolle bei der Steigerung der Ernteerträge. In meiner Arbeit beschreibe ich einen neuartigen Ansatz zur Modulierung der Mikrobiome in Saatgut, gleichermaßen für Monokotyledonen und Dikotyledonen. Ein ausgewählter Stamm (B. phytofirmans PsJN) wird in die Hostpflanzen (Mais, Soja, Paprika und Weizen) eingeführt bevor die Samenentwicklung eintritt. So wird der Endophyt in die Samen eingebaut, wodurch eine vertikale Vererbung auf die Nachkommen Generation erreicht wird. Dieser Ansatz wird in Zukunft dabei helfen, die Entwicklungsprozesse von Endophyten während Samenruhe und Keimung zu untersuchen und die Rolle von Samen-Endophyten in der Entwicklung der Mikrobiota zwischen Pflanze und Endophyt aufzuklären. In meiner Dissertation habe ich eine gegenseitige Interaktion zwischen endophytischen Bakterien mit ihrem Wirt (Pflanze bzw. Samen) gezeigt. Dies kann neue Wege eröffnen um diese komplexen Wechselbeziehungen besser zu verstehen.

Abstract

(Englisch)

Endophytic bacteria have a large spectrum of effects towards increasing their host plant productivity. Therefore, they are in the center of attention for having a sustainable agriculture in a less-stable environment. The welfare of interaction between endophytic bacteria and their host plant effects plant growth, nutrient uptake, protection against pathogens and biotic/abiotic stress tolerance. The primary objective of my study is to explore the machnisms of endophyte-plant communication and adaptation of endophytic bacteria to the host plant environment. Whole transcriptome sequencing of Burkholderia phytofirmans PsJN colonizing potato plants (Solanum tuberosum L.) enabled the analysis of in planta gene activity and the response of strain PsJN to plant stress using high throughput RNA-seq analysis and TaqMan-qPCR. Regarding the broad array of functions encoded on the genome of strain PsJN, my analysis shows that transcripts up-regulated in response to plant drought stress are mainly involved in transcriptional regulation, cellular homeostasis and the detoxification of reactive oxygen species, indicating oxidative stress response in PsJN. Endophytes react to changes in the plant/seed physiology due to plant stress and adjust its gene expression pattern to cope with and adapt to the altered conditions. Furthermore, genetic attributes that could explain the phenotypic differences between closely related endophytic, commensal and pathogenic bacteria were identified regarding their interaction with the host plant. Here, I investigate three novel closely related Pantoea ananatis strains (named S6, S7 and S8) and their effect on the maize host plant. Although they were isolated from seeds of healthy plants, they showed distinct characteristics in regard to plant growth and health ranging from pathogenic (S7), commensal (S8) to a beneficial, growth promoting effect on maize (S6). Despite the high similarity in the genomes of three strains, my comparative analysis indicates that genomic differences mainly exist in cell surface components, motility related proteins, type VI secretion system, transposase/integrase/phage related genes and eukaryotic-like domain containing proteins. Apart from the agricultural importance of endophytic bacterial interaction with plants, they also play important roles in increasing crop productivity and protection in endophyte-seed interaction. For revealing the roles of members of seed microbiomes in plant growth, I describe a novel approach to modulate the microbiome of elite crop seed embryos, of both monocots and dicots. A selected microbe (B. phytofirmans PsJN) is introduced into the parent plants (maize, soy, pepper and wheat) before seed development occurs. These become incorporated into the seed microbiome, thereby achieving vertical inheritance to the offspring generation. Using this approach in future will help us to track the faith of seed endophytes during seed dormancy and germination and unpuzzle the role of seed endophytes in the development of the plant endophyte microbiota. In my thesis, I showed a two-sided interaction between endophytic bacteria with their host (plant and/or seed), which will opens up new avenues of thinking about this complex communication inside the plant environment.

Autor*innen

Tezerji Raheleh Sheibani

Haupttitel (Englisch)

ECF sigma factors: how endophytes sense the plants

Paralleltitel (Deutsch)

ECF Sigma Faktoren: wie Endophyten Pflanzen wahrnehmen

Publikationsjahr

2016

Umfangsangabe

150 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Thomas Rattei

Klassifikationen

42 Biologie > 42.13 Molekularbiologie ,

42 Biologie > 42.20 Genetik ,

42 Biologie > 42.30 Mikrobiologie

AC Nummer

AC13251097

Utheses ID

37854

Studienkennzahl

UA | 794 | 685 | 437 |

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Schlagwörter