Molecular ecological interaction of bacterial endophytes with their host Vitis vinifera (L)

Lopez Fernandez, Juan Sebastian

Bacterial endophytes live asymptomatically within plants. Plant protection properties of endophytes have drawn the attention of agricultural research and industry, resulting in their development as potential biotechnologies for better crop management. Such capabilities are the result of complex ecological interactions that endophytes engage in. Thus, understanding the interplay between bacterial endophytes and co-inhabiting organisms may provide means of exploiting such capacities. Study of endophytic bacteria has classically employed functional enzymatic assays. Recently, sequencing of genomes and metagenomics aided by metabolomics studies has provided better insights into the molecular ecology of endophytes. Evidence shows that the microbiota can have a strong influence on host fitness. Because endophytes harbor many beneficial properties and interact with many insect vectors, the question arises whether they can be used as probiotics. This is relevant because in “suppressive soils” the existence of beneficial microbiota can prevent the development of plant disease. Thus, the aim of this thesis was to study the beneficial properties of endophytic bacteria isolated from grapevine and evaluate genome structure to identify similarities with and differences between other symbionts. Also, experiments were performed to understand if the grapevine associated insect Scaphoideus titanus vectors bacterial endophytic communities between plants. Finally, the effect of endophytic colonization on plant secondary metabolism was assessed. Enzymatic assays showed that most of more than 100 endophytes isolated from grapevine benefit plant growth and health. Genome sequencing revealed both characteristic chromosome organization and gene functions that may be important for symbiosis. Also, similarities between endophytic and non-endophytic bacteria at the genome level suggested a role of ecological constraints in defining the lifestyle of these symbionts, raising awareness of the virulence potential that endophytes hold in their genomes. Through 454 sequencing, the role of S. titanus as vector was confirmed, implying that plant and insect hosts have an effect on bacterial endophytic community structure. Finally, , a possible “metabolic signature” exerted by endophytes colonizing grapevine plants was detected and the ecological implications of this signature on the symbiosis were outlined.

Bakterielle Endophyten sind Organismen, die asymptomatisch in Pflanzen leben. Einige endophytische Bakterien zeigen Pflanzenschutz-Eigenschaften die das Ergebnis komplexer ökologischer Wechselwirkungen mit denen sich Endophyten untereinander und mit anderen Organismen im Pflanzenökosystem. Die Untersuchung endophytischer Bakterien wurden klassisch durch funktionelle Analyse mit enzymatischen Assays durchgeführt. In jüngster Zeit haben die Sequenzierung von Genomen sowie Metagenomikstudien bessere Einblicke in die Kolonisation, die Nischenexpansion und die Chromosomenstruktur gegeben, die sich in den vorteilhaften Eigenschaften einiger Endophyten widerspiegeln können. Auch die Metabolomik hat das Studium der Symbiose mit der Pflanze ermöglicht. In Pflanzen schlagen mehrere Studien die Verwendung von Mikroben als Probiotika vor, da in einigen Böden die Existenz einer definierten, nützlichen Mikrobiota die Entwicklung von Pflanzenkrankheiten verhindern kann (diese werden als "suppressive Böden" bezeichnet). Da Endophyten viele vorteilhafte Eigenschaften beherbergen, stellt sich die Frage, ob die Verwendung der endophytischen Mikrobiota einen positiven Einfluss auf die Kulturpflanzen haben kann. So war es das Ziel dieser Arbeit, die vorteilhaften Eigenschaften von endophytischen Bakterien, die aus der Weinrebe isoliert wurden, zu untersuchen und die Genomstruktur zu bewerten, um Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen diesen Symbionten und den Pflanzenpathogenen und frei lebenden Symbionten zu identifizieren. Auch wurden Experimente durchgeführt, um zu verstehen, ob das mit der Weinrebe assoziierte Insekt Scaphoideus titanus als Vektor für ganze bakterielle endophytische Gemeinschaften zwischen Pflanzen dienen kann. Um die gesamte Landschaft der Wechselwirkungen zu vervollständigen, wurde die Wirkung der endophytischen Kolonisation auf den sekundären Stoffwechsel beurteilt. Enzymatische Tests zeigten, dass viele der mehr als 100 aus der Weinrebe isolierten Endophyten vorteilhafte Eigenschaften für Pflanzen haben, die von der Pflanzenwachstumsförderung bis hin zur Biokontrolle gegen große Weinrebenpathogene reichen. Durch die Genomsequenzierung wurde eine bestimmte Chromosomenorganisation sowie Genfunktionen festgestellt. Desweiteren deuteten Ähnlichkeiten zwischen endophytischen und nicht-endophytischen Bakterien auf der Genom-Ebene auf eine ökologische Einschränkung bei der Definition des Lebensstils dieser Symbionten hin und erhöhten das Bewusstsein für das Virulenzpotential der Endophyten. Durch die 454-Sequenzierung wurde die Funktion von S. titanus als Vektor bestätigt. Schließlich wurde mit der Metabolomik eine mögliche "metabolische Signatur" von Endophyten detektiert, die Weinrebenpflanzen kolonisieren, und die ökologischen Implikationen eines solchen Phänomens in der Symbiose skizziert.

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Lopez Fernandez, Juan: Molecular ecological interaction of bacterial endophytes with their host Vitis vinifera (L). 2017.

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