Roles of biotic and abiotic factors in shaping plant microbiota diversity and plant health

Abstract

Pflanzen haben, wie Tiere und Menschen, ein vielfältiges Mikrobiom, welches entscheidend für die Aufrechterhaltung der Gesundheit des Wirts ist und ihm hilft mit biotischen und abiotischen Stressfaktoren umzugehen. Die Interaktionen innerhalb dieser mikrobiellen Gemeinschaften, von Mutualismus bis Antagonismus, verleihen dem Mikrobiom zusätzliche Komplexität und Variabilität. Es ist jedoch eine Herausforderung, die spezifische Rolle der verschiedenen Interaktionen bei der Bildung und Stabilität mikrobieller Gemeinschaften zu bestimmen. Um dies zu erreichen, müssen wir die verschiedenen Zustände des Pflanzenmikrobioms unter schwankenden Umweltbedingungen untersuchen, was durch die Sammlung einer ausreichenden Anzahl von Proben zu verschiedenen Zeitpunkten and unterschiedlichen Orten erreicht werden kann. Ein Beispiel für eine solch vielfältige und schwankende Umgebung ist die Phyllosphäre. Sie ist der oberirdische Teil einer Pflanze und ein vielfältiger mikrobieller Lebensraum, der direkt verschiedenen Umweltfaktoren wie Temperatur und Regen ausgesetzt ist. Diese abiotischen Faktoren können das Blattmilieu innerhalb von Minuten, Stunden oder Tagen schnell verändern. In Kapitel 2 dieser Studie analysiere ich die Auswirkungen verschiedener Umweltfaktoren auf die Mikrobiombildung in verschiedenen Kompartimenten der Modellpflanze Arabidopsis thaliana. Im Laufe von fünf Jahren sammelten wir Proben aus natürlichen Ökosystemen und untersuchten das Mikrobiom auf verschiedene mikrobielle Gruppen, darunter Bakterien, Pilze und nicht-pilzlichen Eukaryoten. Ich identifizierte epiphytische und endophytische Mikroben, die spezifisch auf Umweltfaktoren reagieren, wobei sich eine Korrelation zwischen Umweltfaktoren und Variation mikrobieller Netzwerke herausstellte. Das pflanzliche Mikrobiom wird nicht nur von der Umwelt beeinflusst, sondern verändert sich auch im Laufe der Entwicklung seines Wirtes. Daher ist es wichtig, den Grad der Stabilität und Variabilität des Mikrobioms im Laufe der Zeit zu bestimmen. Die Beantwortung dieser Frage erfordert eine detaillierte Untersuchung der Dynamik des Mikrobioms während der verschiedenen Entwicklungsstadien des Wirts. Im Rahmen meines Forschungsprojekts wurde während der Wachstumsperiode von Arabidopsis thaliana die monatliche Veränderung des Blattmikrobioms aufgezeichnet, was in einem Gartenexperiment zwischen November und März untersucht wurde. Unsere Ergebnisse zeigten die Existenz konservierter zeitlicher Muster: Zu Beginn der Vegetationsperiode durchlaufen die mikrobiellen Gemeinschaften und Netzwerke eine Stabilisierungsphase mit reduzierter Diversität und Variabilität. Trotz der hohen Fluktuationsrate konnten wir einige Kerntaxa identifizieren, die während des gesamten Zeitraumes auf den Blättern von Arabidopsis verblieben. Gleichzeitig müssen die Kernmikroben nicht notwendigerweise den mikrobiellen Knotenpunkt im Netzwerk entsprechen. Die Stabilität der Assoziationen zwischen den Kern- und/oder Hub-Mikroben und der Wirtspflanze deutet auf ein hohes Maß mikrobieller Anpassung an die Blattnische hin. Dies gilt auch für Merkmale, die mit Dysbiose und Pathogeninfektion verbunden sind. Die Untersuchung der Kern- und Knotenpunktfunktionen des Mikrobioms ist wichtig, um die Ursachen der Dysbiose bei Pflanzen besser zu verstehen. Dieses Wissen kann helfen, Pflanzen vor Dysbiose und Krankheitserreger besser zu schützen. Während meiner Forschung habe ich Albugo laibachii, ein Pflanzenpathogen, als eine potenzielle Kernmikrobe identifiziert, die von Umweltfaktoren stark beeinflusst wird. In Kapitel 4 meiner Dissertation konzentrierte ich mich auf die Identifizierung von Gemeinschaften und Mikrobiomen, die mit der Pflanzengesundheit in Zusammenhang stehen, und nutzte sie, um Pflanzen vor Krankheitserregern zu schützen. Zu diesem Zweck setzte ich maschinelle Lernverfahren ein, um zwischen infizierten und nicht infizierten Pflanzen zu unterscheiden. Ich erstellte eine Rangliste der Mikroben auf der Grundlage ihrer Wichtigkeit und identifizierte Taxa, die effektiv zwischen infizierten und nicht infizierten Arabidopsispflanzen unterscheiden. Um diese Hypothese zu testen, untersuchte ich die paarweisen Wechselwirkungen zwischen diesen gesundheitsassoziierten Mikroben und dem Pathogen Albugo laibachii. Abschließend konnten wir eine funktionelle Redundanz in komplexen mikrobiellen Gemeinschaften feststellen, die schützende Gleichgewichte gegenüber dem Erreger Albugo laibachii herstellen. Mikroben schützen die Pflanzen nicht nur vor Krankheitserregern, sondern sind auch entscheidend für die Gesundheit, da sie dazu beitragen, wichtige Nährstoffe wie Stickstoff bereitzustellen. Einige Pflanzen haben Knöllchen in ihren Wurzeln, in denen die Stickstofffixierung stattfindet. Rhizobien spielen bei der Stickstofffixierung eine große Rolle, die Wechselwirkungen zwischen den anderen mikrobiellen Komponenten, die an diesem Prozess beteiligt sind, sind jedoch kaum bekannt. In Kapitel 5 wollten wir untersuchen, wie sich das Bodenmikrobiom auf das Wachstum gesunder Lotuspflanzen auswirkt, insbesondere auf die Knöllchenbildung, bei der die Stickstofffixierung stattfindet. In unserer Studie verwendete ich ein maschinelles Lernmodell, um zwischen zwei verschiedenen Phänotypen von Lotus-Pflanzen zu unterscheiden: dem gesunden und dem ausgehungerten Phänotyp. Unsere Ergebnisse zeigten, dass nicht-rhizobiale Mikroben negativ mit ineffektiven Rhizobien oder, wie wir sie nennen, mit betrügerischen Mikroben interagieren. Diese Interaktionen wurden durch Korrelationsnetzwerke und in planta-Experimente bestätigt. Unsere Forschung zeigt, dass das Mikrobiom in den Knöllchen einen erheblichen Einfluss auf das Ergebnis der Wurzel-Knöllchen-Symbiose hat. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mein Projekt tiefe Einblicke in die Interaktionen zwischen Pflanzenmikroben und Mikroben ermöglicht hat. Es konzentrierte sich auf die Identifizierung kritischer ökologischer Muster für die Stabilität und den Aufbau des Mikrobioms. Diese Erkenntnisse helfen uns, die komplexen Beziehungen innerhalb des pflanzlichen Mikrobioms zu verstehen, insbesondere unter verschiedenen Umweltbedingungen. Darüber hinaus haben diese Erkenntnisse wichtige Auswirkungen auf die Biotechnologie. Die Manipulation des Pflanzenmikrobiomen durch Probiotika durch Mikrobiom-Engineering kann die Robustheit von Pflanzen gegenüber biotischen und abiotischen Faktoren deutlich verbessern.

Plants, like animals and humans, have a diverse microbiome that is crucial in maintaining host health and helps them cope with biotic and abiotic stresses. Interactions within these microbial communities, from mutualism to antagonism, add layers of complexity and variability. However, it is challenging to determine the specific roles of different interactions in the formation and stability of the microbiome. To address this issue, it is essential to study plant microbial communities in different states and under fluctuating environmental conditions. Achieving this goal requires collecting sufficient number of samples at different times and locations to picture diverse microbiomes.

An example of such a diverse and fluctuating environment is the phyllosphere. It is the aerial part of a plant and directly exposed to various environmental factors such as temperature and rain. These abiotic factors can alter the leaf environment within hours or days. In Chapter 2 of this study, I analyzed the impact of various environmental factors on the microbiome formation of different compartments of the model plant, Arabidopsis thaliana. Over a period of five years, we collected samples from natural ecosystems and studied their microbiome. We looked at the different microbial groups, including bacteria, fungi and non-fungal eukaryotes. I identified microbes that specifically respond to environmental factors in epiphytic and endophytic compartments. Additionally, I found a correlation between environmental factors and variations in the connectivity of microbial co-abundance networks.

In addition to being influenced by environmental factors, the plant microbiome undergoes distinct changes as its host develops. As a result, it has become essential to determine the degree of stability and variability exhibited by the microbiome over time. Answering these questions requires a detailed study of its dynamics throughout the developmental stages of the host. This investigation extends to Chapter 3, where we have recorded monthly changes in the leaf microbiome of Arabidopsis thaliana throughout its growing season. This observational study was conducted in a garden experiment between November and March. Our results revealed the existence of conserved temporal patterns: at the beginning of the plant growing season, microbial communities and networks undergo a stabilization phase with reduced diversity and variability. Despite the high turnover rate, we identified some core taxa that remain on Arabidopsis leaves throughout the season, and the core microbiome is not necessarily the hub microbes in the network. The stability of the associations between the core and/or hub microbes and the host plant indicates a high degree of microbial adaptation to the leaf niche. This is also the case for traits associated with dysbiosis and pathogen infection.

Studying the core and hub microbiome functions is important to better understand the causes of dysbiosis in plants. This knowledge allows us to assist plants in the management of dysbiosis and the effective control of pathogens. During my research, I identified Albugo laibachii, a plant pathogen, as a potential core microbe influenced by environmental factors with high impact. In Chapter 4 of my thesis, I focused on identifying communities and microbiomes related to plant health and used them to protect plants from pathogens. To achieve this, I employed machine learning techniques to distinguish between infected and uninfected plants. I ranked the microbes based on their importance scores and identified important taxa that effectively discriminate between infected and uninfected Arabidopsis plants. To investigate this hypothesis further, I examined the pairwise interactions between these health-associated microbes and the pathogen Albugo laibachii. In conclusion, I could identify functional redundancy in complex microbial communities that stabilize protective equilibria to the causal agent Albugo laibachii.

Besides protecting plants from pathogens, microbes are critical for plant health as they help provide essential nutrients like nitrogen. Some plants have nodules in their roots where nitrogen fixation occurs. Rhizobia bacteria play a role in nitrogen fixation, but the interactions among other microbial components involved in the process are poorly understood. In Chapter 5, we aimed to investigate how the soil microbiome affects the growth of healthy Lotus plants as a model, specifically how it affects nodulation, where nitrogen fixation occurs. In our study, I used a machine learning model to discriminate between two different phenotypes of Lotus plants: healthy and starved. Our results showed that non-rhizobial microbes negatively interact with ineffective Rhizobium or what we call cheater microbes. These interactions were confirmed through correlation networks and in planta experiments. Our research shows that the microbiome in nodules has a significant impact on the outcome of root-nodule symbiosis.

In summary, my project has provided deep insights into plant microbe-microbe interactions. It has focused on identifying critical ecological patterns for microbiome stability and assembly. These findings help us to understand the complex relationships within the plant microbiome, particularly under varying environmental conditions. In addition, these findings have important implications for biotechnology. In particular, improving plant robustness to biotic and abiotic factors by manipulating plant microbiomes as probiotics through microbiome engineering.