Germany
April 4, 2023
Microscopy image of bacteria in association with plant roots
Besiedlung der Wurzeln durch Bakterien der Wurzelmikrobiota - © S. Hacquard
In recent years, the microbiota – communities of microorganisms composed primarily of bacteria and fungi that are found in all eukaryotic organisms, including humans, animals and plants – has come into focus due to their contributions to the health and growth of their eukaryotic hosts.
Specifically, the root microbiota of plants growing in soil has been shown to be important for plant mineral nutrition, protection against plant pathogens, and tolerance to abiotic stresses such as drought. Defining the rules underlying the establishment of these microbial communities is key for controlled interventions in the microbiota to enhance their beneficial services to the plant host. Researchers have identified plant and environmental signals that influence microbiota establishment on roots, but the importance of microbe-microbe competition in this process remained elusive.
Back in 1928, Alexander Flemming reported antibiotic-mediated inhibition between two microorganisms in laboratory conditions and could thereby identify Penicillin, with disruptive consequences for modern medicine. Similarly, the production of molecules with inhibitory activity is well known for some soil-dwelling and root-associated microorganisms to keep microbial plant pathogens in check.
In this study, the researchers used a large collection of bacteria that were isolated from roots of the mouse-ear cress, Arabidopsis thaliana, and investigated their ability to produce molecules with inhibitory activities. This led to the identification of a bacterium, called Pseudomonas brassicacearum, which exerted an unusually high inhibitory activity on many other bacteria in the root microbiota. The scientists found that this activity is largely mediated by two molecules that act in concert to keep the microbial competitors at bay. The first molecule is an antimicrobial agent, called 2,4-diacetylphloroglucinol, while the second molecule scavenges the essential micronutrient iron, thereby stealing it from its bacterial competitors.
The researchers then used P. brassicacearum mutants engineered to block production of the two molecules and tested whether they were relevant to root colonization in the presence of bacterial competitors. To test this hypothesis, they repopulated roots of germ-free mouse-ear cress with a simplified bacterial community in the presence of either P. brassicacearum mutants or the wild-type strain. The international team was able to show that these two natural chemicals - produced by a single bacterium - do not only affect the structural organization of the root microbiota, but also give P. brassicacearum an advantage in colonizing and dominating the root niche.
The work supports the importance of chemical warfare between bacteria for successful host colonization. The conclusions also have implications for the development of biologicals in agriculture, as they predict that the inhibitory activities observed in a simplified laboratory setting could scale-up under field conditions. This is a building block on the way to developing more sustainable crop protection technologies and understanding the inner workings of the plant microbiota.
“It’s amazing to learn how natural compound chemistry is leveraged by microbes in nature to shape microbial consortia that provide beneficial services to their plant hosts“, says Paul Schulze-Lefert, project lead.
Co-functioning of bacterial exometabolites drives root microbiota establishment
Proceedings of the National Academy of Sciences
DOI: 10.1073/pnas.2221508120
Konkurrenz unter Bakterien sorgt für Wohlergehen von Pflanzen
Forschende des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam natürliche chemische Strategien identifiziert, die Bakterien nutzen, um Konkurrenten fernzuhalten und sich erfolgreich auf Pflanzen zu vermehren. Die Studie wurde jetzt in der Zeitschrift PNAS veröffentlicht.
In den letzten Jahren ist die Mikrobiota – eine Gemeinschaft von Mikroorganismen, die hauptsächlich aus Bakterien und Pilzen besteht und in allen eukaryontischen Organismen, einschließlich Menschen, Tieren und Pflanzen, zu finden ist - aufgrund ihres Beitrags zur Gesundheit und zum Wachstum ihrer Wirte in den Fokus gerückt.
Insbesondere die Wurzelmikrobiota von Pflanzen ist nachweislich wichtig für die Mineralienversorgung der Pflanzen, den Schutz vor Pflanzenpathogenen und die Toleranz gegenüber abiotischen Stressfaktoren wie Trockenheit.
Die Mechanismen zu kennen, die der Etablierung dieser mikrobiellen Gemeinschaften zugrunde liegen, ist der Schlüssel für kontrollierte Eingriffe in die Mikrobiota, um ihre nützlichen Leistungen für den Pflanzenwirt zu verbessern. Forschende haben Pflanzen- und Umweltsignale identifiziert, die die Ansiedlung der Mikrobiota an den Wurzeln beeinflussen, aber die Bedeutung der Mikroben-Mikroben-Konkurrenz in diesem Prozess ist nach wie vor nicht klar.
Bereits 1928 berichtete Alexander Flemming über die Hemmung zwischen zwei Mikroorganismen unter Laborbedingungen, verursacht durch Antibiotika. Die Identifizierung des Penicillins führte zu bahnbrechende Erfolgen in der modernen Medizin. In ähnlicher Weise ist die Produktion von Molekülen mit hemmender Wirkung bei einigen bodenbewohnenden und wurzelassoziierten Mikroorganismen bekannt, um mikrobielle Pflanzenpathogene in Schach zu halten.
In dieser Studie verwendeten die Wissenschaftler:innen eine große Sammlung von Bakterien, die aus den Wurzeln der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) isoliert wurden, und untersuchten deren Fähigkeit, Moleküle mit hemmender Wirkung zu produzieren. Dies führte zur Identifizierung eines Bakteriums namens Pseudomonas brassicacearum, das eine ungewöhnlich hohe hemmende Aktivität auf viele andere Bakterien in der Wurzelmikrobiota ausübte.
Die Forschenden fanden heraus, dass diese Aktivität weitgehend durch zwei Moleküle vermittelt wird, die zusammenwirken, um die mikrobiellen Konkurrenten in Schach zu halten. Das erste Molekül ist ein antimikrobieller Wirkstoff namens 2,4-Diacetylphloroglucinol, während das zweite Molekül den essenziellen Mikronährstoff Eisen abfängt und ihn so seinen bakteriellen Konkurrenten stiehlt.
Das Team verwendete dann P. brassicacearum-Mutanten, die so konstruiert wurden, dass sie die Produktion der beiden Moleküle blockieren, und testeten, ob sie für die Wurzelbesiedlung in Gegenwart von bakteriellen Konkurrenten relevant sind.
Um diese Hypothese zu testen, besiedelten sie Wurzeln von keimfreier Ackerschmalwand mit einer vereinfachten Bakteriengemeinschaft in Gegenwart von P. brassicacearum-Mutanten oder dem Wildtyp-Stamm. Das internationale Team konnte zeigen, dass diese beiden natürlichen Chemikalien - die von einem einzigen Bakterium produziert werden - nicht nur die strukturelle Organisation der Wurzelmikrobiota beeinflussen, sondern P. brassicacearum auch einen Vorteil bei der Besiedlung und Dominanz der Wurzel verschaffen.
Die Arbeit unterstreicht die Bedeutung der chemischen Abwehr zwischen Bakterien für eine erfolgreiche Besiedlung des Wirts. Diese Ergebnisse haben Auswirkungen auf die Entwicklung von Biologika in der Landwirtschaft, da sie eine Vorhersage der unter vereinfachten Laborumgebung beobachteten hemmenden Aktivitäten, auf die Anwendung im Feld erlauben.
Dies ist ein weiterer Baustein auf dem Weg zur Entwicklung nachhaltigerer Pflanzenschutztechnologien und zum Verständnis der inneren Funktionsweise der pflanzlichen Mikrobiota.
"Es ist erstaunlich, wie die Chemie natürlicher Verbindungen von Mikroben in der Natur genutzt wird, um mikrobielle Konsortien zu bilden, die ihren Pflanzenwirten nützliche Dienste erweisen“, sagt Paul Schulze-Lefert.
Original Publikation
Getzke, F., Hassani, M. A., Crüsemann, M., Malisic, M., Zhang, P., Ishigaki, Y., Böhringer, N., Jiménez Fernández, A., Wang, L., Ordon, J., Ma, K.-W., Thiergart, T., Harbort, C. J., Wesseler, H., Miyauchi, S., Garrido-Oter, R., Shirasu, K., Schäberle, T. F., Hacquard, S., & Schulze-Lefert, P.
Co-functioning of bacterial exometabolites drives root microbiota establishment.
PNAS 2023
Species
