Germany
March 19, 2024
A research team led by Paul Schulze-Lefert developed a modular toolkit for tracking bacterial strains colonising plant tissue in competition with other microbiome members. The study is now published in Nature Microbiology.
Plant derived Pseudomonas capeferrum bacteria labelled with different fluorescent tags using the MoBacTag toolkit. - © J. Ordon
The enormous diversity of microorganisms that a healthy plant accommodates as a community in nature is referred to as the plant microbiome. In order to assess the composition of the microbiome, which is invisible to the naked eye, the DNA sequence of a universal microbial marker gene consisting of variable and conserved sequence segments is usually determined. In this way, different microbial species in the microbiome can be distinguished from each other on the basis of polymorphic DNA marker sequences. However, beneficial activities of members of the microbiome for the plant host, such as the mobilisation of mineral nutrients from the soil for uptake by the roots, are often only carried out by individual microbial strains within a bacterial species and depend on the presence of specialized microbial genes. Hence, current DNA sequence-based microbiota profiling is insufficient to capture the true genetic diversity of the microbial community on the host.
To overcome this limitation, researchers at the Max Planck Institute have developed a modular toolkit that is used as a DNA barcode for bacterial strains. A DNA barcode is first inserted into the chromosome of a single strain of a microbiome member. In subsequent analyses of microbiome profiles on plants, the DNA barcode is regarded as a synthetic microbial marker gene. In addition to the chromosomal DNA barcode, genetic building blocks for fluorescent proteins were also incorporated. The latter make it possible to use highly sensitive fluorescence detectors to map where a barcoded bacterial strain colonises plant tissue in competition with other microbiome members.
Jana Ordon
The researchers then carried out experiments with the plant growth-promoting bacterium Pseudomonas capeferrum, which colonises the roots of the model plant Arabidopsis, as well as with variants of the bacterium that differ from the wild-type strain only in the absence of particular genes. The corresponding Pseudomonas genes dampen the host plant's immune responses and thus enhance the bacterium's ability to colonise plant roots, which in turn increases its plant growth-promoting activity. The Pseudomonas bacteria labelled with DNA barcodes showed the expected differential ability to colonise Arabidopsis roots when germ-free plants were inoculated with individual strains. What was surprising, however, was the appearance of qualitatively new characteristics of the Pseudomonas bacteria when combinations of the wild-type strain and its variants were inoculated onto the plant host together with a microbiome consortium of different bacteria assembled in the laboratory. In biology, this phenomenon is also referred to as an emergent property or system property.
The use of DNA barcodes therefore not only confirmed previous results, but also revealed new activities of the bacterial genes that could not have been identified using conventional methods. The modular DNA barcoding toolkit can now be used for microbiome research to investigate the contribution of individual microbial genes in the context of microbial communities not only in plants but also in microbiome studies of animals.
The findings were also featured in a Nature ‘Behind the Paper’ story.
Spurensuche im Pflanzenmikrobiom mit DNA-Strichcodes
Ein Forscherteam unter der Leitung von Paul Schulze-Lefert hat ein modulares Toolkit entwickelt, um Bakterienstämme zu verfolgen, die Pflanzengewebe im Wettbewerb mit anderen Mitgliedern des Mikrobioms besiedeln. Die Studie wurde jetzt in Nature Microbiology veröffentlicht.
Die enorme Vielfalt an Mikroorganismen, die eine gesunde Pflanze in der Natur als Gemeinschaft beherbergt, wird als Pflanzenmikrobiom bezeichnet. Um die Zusammensetzung des mit bloßem Auge unsichtbaren Mikrobioms zu erfassen, wird üblicherweise die DNA-Sequenz eines universellen mikrobiellen Markergens bestimmt, das aus variablen und konservierten Sequenzabschnitten besteht. Auf diese Weise können die mikrobiellen Arten im Mikrobiom anhand der variablen DNA-Sequenzabschnitte voneinander unterschieden werden. Nützliche Aktivitäten von Mitgliedern des Mikrobioms für den Pflanzenwirt, wie z. B. die Mobilisierung von mineralischen Nährstoffen aus dem Boden für die Aufnahme durch die Wurzeln, werden jedoch oft nur von einzelnen Mikrobenstämmen innerhalb einer Art ausgeführt und hängen vom Vorhandensein spezieller Mikrobengenen ab. Die Erstellung von DNA-Sequenz-basierten Mikrobiota-Profilen reicht daher nicht aus, um die tatsächliche genetische Vielfalt der mikrobiellen Gemeinschaft auf dem Pflanzenwirt zu erfassen.
Um dieses Manko zu überwinden, haben Forschende am Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung ein modulares Toolkit entwickelt, das als DNA-Strichcode für Bakterienstämme eingesetzt wird. Ein DNA-Strichcode wird zunächst in das Chromosom eines einzelnen Stammes einer Mikrobiomgemeinschaft eingefügt. Bei anschließenden Analysen von Mikrobiomprofilen auf Pflanzen wird der DNA-Strichcode als synthetisches mikrobielles Markergen betrachtet. Neben dem DNA-Strichcode wurden zudem genetische Bausteine für fluoreszierende Proteine eingebaut. Letztere ermöglichen es, mit hochempfindlichen Fluoreszenzdetektoren zu kartieren, wo ein strichcodierter Bakterienstamm in Konkurrenz zu anderen Mikrobiom-Mitgliedern pflanzliches Gewebe besiedelt.
Anschließend führten die Forscher Experimente mit dem pflanzenwachstumsfördernden Bakterium Pseudomonas capeferrum durch, das die Wurzeln der Modellpflanze Arabidopsis besiedelt, sowie mit Varianten des Bakteriums, die sich vom Wildtyp-Stamm nur durch das Fehlen bestimmter Gene unterscheiden. Die entsprechenden Pseudomonas-Gene dämpfen die Immunantworten der Wirtspflanze und verstärken dadurch die Fähigkeit des Bakteriums, Pflanzenwurzeln zu besiedeln, was wiederum deren pflanzenwachstumsfördernde Aktivität erhöht. Die mit DNA-Strichcodes markierten Pseudomonas-Bakterien zeigten zunächst die erwartete unterschiedlichen Fähigkeiten zur Besiedlung von Arabidopsis-Wurzeln, wenn keimfreie Pflanzen mit einzelnen Stämmen beimpft wurden. Überraschend war jedoch das Auftreten qualitativ neuer Eigenschaften der Bakterien, wenn Kombinationen des Wildtyp-Stammes und seiner Varianten zusammen mit einem im Labor zusammengestellten Mikrobiom-Konsortium aus verschiedenen Bakterien auf den Pflanzenwirt geimpft wurden. In der Biologie wird dieses Phänomen auch als emergente Eigenschaft oder Systemeigenschaft bezeichnet.
Die Verwendung von DNA-Strichcodes bestätigte also nicht nur frühere Ergebnisse, sondern deckte auch neue Aktivitäten der bakteriellen Gene auf, die mit herkömmlichen Methoden nicht hätten identifiziert werden können. Das modulare DNA-Strichcode-Toolkit kann nun für die Mikrobiomforschung eingesetzt werden, um den Beitrag einzelner mikrobieller Gene im Kontext mikrobieller Gemeinschaften nicht nur bei Pflanzen, sondern auch in Mikrobiomstudien an Tieren zu untersuchen.
Die Ergebnisse wurden auch in einem „Behind the Paper“ Artikel in Nature vorgestellt.
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