Structural variation of a polymorphic RPP1-like cluster in local Arabidopsis thaliana populations alters phyllosphere microbiome in Gorzów Wielkopolski

Abstract

Pflanzen sind von einer enormen Anzahl und Vielfalt an Mikroben besiedelt, welche Einfluss auf die Entwicklung, Fitness und Vermehrung des Wirts haben können. Dabei werden die gesamten pflanzen-assoziierten Mikroben als „Mikrobiom“ bezeichnet. In den letzten Jahrzenten, haben verbesserte Technologien zur DNA-Sequenzierung („Next-Generation Sequencing”) einen beträchtlichen Anstieg an Mikrobiom-Studien verzeichnet, welche zur Identifikation von abiotischen und biotischen Einflussfaktoren auf mikrobielle Gemeinschaften in verschiedenen Nischen der Pflanze geführt haben. Das Mikrobiom der Pflanze, oft unterteilt in Phyllosphäre (oberirische Pflanzenteile) und Rhizosphäre (unterirdische Teile), wurde bereits an vielen natürlichen Spezies, einschließlich Model Organismen, Nutzpflanzen und Bäumen untersucht. Während Umweltfaktoren einen beachtlichen Anteil an Varianz innerhalb der mikrobiellen Gemeinschaft erklären, stellt der Einfluss des Wirtes weiterhin eine Herausforderung dar. Pflanzen beherbergen ein komplexes Immunsystem zur Abwehr einer Vielzahl an Krankheitserregern, welche einen fundamentalen Einfluss auf die strukturelle Organisation des Mikrobiom haben können. Um Erkenntnisse über den direkten oder indirekten Einfluss der Wirtspflanze auf das Mikrobiom der Phyllosphäre zu erlangen, habe ich den Einfluss von Resistenzgenen untersucht. In der vorliegenden Arbeit wurde die Anwesenheit des polymorphen RPP1-like Resistenzgen-Cluster in natürlichen Arabidopsis thaliana Populationen der polnischen Region Gorzów Wielkopolski (früher bekannt als Landsberg an der Warthe) auf die mikrobielle Gemeinschaft untersucht. Dazu wurden populationsgenetische Ansätze mit Amplicon-basierter DNA- und cDNA-Sequenzierung kombiniert. Durch die Genom-Sequenzierung von 16 repräsentativen Gorzów Arabidopsis Individuen, identifizierte ich strukturelle Variationen innerhalb des RPP1-like Resistenzgen- Cluster auf Populations-Ebene. Des Weiteren wurden zwei natürliche Landsberg Linien (La-0) auf Chromosomen-Level sequenziert, welche als Referenzgenome einbezogen wurden. Zusammengefasst bietet dieser Datensatz großes Potential für die Untersuchung von Genom- Analysen auf Populations-Ebene.

Die Untersuchung des phyllosphären Mikrobioms auf natürlichen Arabidopsis Populationen in Gorzów Wielkopolski ergab, dass die Faktoren Jahr, Standort und Blatt-Kompartiment den größten Einfluss auf die mikrobiellen Gemeinschaft haben. Zur Bestimmung des RPP1-like Cluster innerhalb der natürlichen Populationen, etablierte ich einen Assay zur Genotypisierung, welcher die RPP1-like Kopien-Anzahl im Genom bestimmt. Durch die Korrelation der RPP1-like Kopien im Genom mit der mikrobiellen Diversität konnte ich eine geringere Bakterien-Vielfalt und Proben-Variabilität in RPP1+ Haplotypen feststellen. Dadurch konnte der Einfluss der Wirtspflanze auf das Mikrobiom der Phyllosphäre festgestellt werden. Zudem wurde eine erhöhte Abundanz des nützlichen Bakteriums Sphingomonas in RPP1+ Haplotypen festgestellt. Zusammengefasst identifizierte ich mehrere Faktoren, wie Jahr, Standort, Blatt-Kompartiment und Wirtspflanze als Einflussfaktoren auf die strukturelle Organisation des phyllosphären Mikrobioms in natürlichen Arabidopsis Populationen aus der Region Gorzów Wielkopolski. Während die molekulare Funktion des RPP1-like Clusters weiterhin unbekannt ist, können weitere Experimente unter kontrollierten Bedingungen zur Identifikation beitragen.