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Functional ecology and genetics of plant microbiome interactions linked to pseudomonads

English title Functional ecology and genetics of plant microbiome interactions linked to pseudomonads
Applicant Croll Daniel
Number 177052
Funding scheme COST (European Cooperation in Science and Technology)
Research institution Institut de Biologie Université de Neuchâtel
Institution of higher education University of Neuchatel - NE
Main discipline Agricultural and Forestry Sciences
Start/End 01.12.2018 - 30.11.2022
Approved amount 317'702.00
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All Disciplines (4)

Discipline
Agricultural and Forestry Sciences
Ecology
Botany
Experimental Microbiology

Keywords (6)

Pseudomonas; Human pathogenic bacteria; Plant microbiome; Wheat; Zymoseptoria tritici; Genome-wide association mapping

Lay Summary (German)

Lead
Infektionskrankheiten stellen eine ernsthafte Bedrohung der menschlichen Gesundheit und Nahrungssicherheit dar. Krankheitserreger werden oft von landwirtschaftlichen Nutztiere über pflanzliche Erzeugnisse auf Menschen übertragen. Neue Erkenntnisse zeigen aber, dass Pflanzen auch längerfristig Krankheitserreger beherbergen können. Unser Forschungsprojekt wird grundlegende Aspekte der Interaktion von Krankheitserregern, Mikroben in der Umwelt und Pflanzen analysieren, um neuartige Kontrollmechanismen zu entwickeln.
Lay summary

Inhalt und Ziele des Forschungsprojekts 

Wir haben in den letzten Jahren Methoden entwickelt, die uns erlauben Anpassungsprozesse in Mikroorganismen präzise nachzuvollziehen. Zu diesen Methoden gehören die Analyse einer grossen Anzahl vollständig sequenzierter Erbgüter (Genome) von Pathogen-populationen.

In diesem Projekt werden wir erforschen wie Mikroorganismen in der Landwirtschaft und Krankheitserreger auf Kulturpflanzen interagieren. Wir werden in einem ersten Schritt analysieren, wie der dominante Erreger von Septoria-Blattdürre, die wichtigste Krankheit von Weizen, mit Pseudomaden interagiert. Pseudomonaden sind eine vielfältige Gruppe von Bakterien, die auch menschliche Krankheitserreger enthalten. Anhand von genomweiten Assoziationsstudien (GWAS) werden wir aufzeigen können welche Funktionen der Erreger der Blattdürre evoluiert hat um dominanten Bakterien zu widerstehen. Der zweite Teil des Projektes wird aufzeigen, welche Funktionen Pseudomaden für die Eindämmung von Pilzerregern evoluiert haben.


Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts 

Die Bekämpfung aus der Landwirtschaft hervorgehender Krankheitserregern ist eine weltweit prioritäre Aufgabe sowohl auf der ökonomischen wie auch auf der ökologischen Ebene. Das Projekt beschäftigt sich mit Anpassungsprozessen in mikrobiellen Gemeinschaften (Mikrobiomen). Die präzise Charakterisierung von Genfunktionen wird erlauben, dauerhafte Strategien zur Erregereindämmung zu entwickeln. 

Direct link to Lay Summary Last update: 09.05.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
183365 Ultra High Performance Liquid Chromatography-High Resolution Tandem Mass Spectrometry (UHPLC-HRMS/MS) for metabolomics and identification of bioactive molecules 01.10.2019 R'EQUIP

Abstract

The emergence of infectious diseases is a severe burden to human health and global economies. Many disease agents from domesticated animals and livestock were transmitted to humans through contaminated plant produce. Plants were thought to be inherently unsuitable for food-borne pathogens adapted to the gut of warm-blooded animals. But recent studies showed that human pathogenic bacteria can indeed show competence to interact and colonize plants. Importantly, if such bacteria have ecological niches on plants, eliminating spillover contamination from animal reservoirs will not be sufficient. Addressing the issue of pathogen emergence in agricultural ecosystems requires understanding the pathogen's ecological interactions in diverse environments. A key question to address is how bacteria interact with dominant members of the agricultural plant microbiome. We aim to analyse the functional ecology of plant microbiome interactions. We will focus on pseudomonads, which have adapted to many different environments including roots, leaves and cause opportunistic human infections. A dominant component of the agricultural crop microbiome are plant pathogenic fungi, in particular the ubiquitous wheat pathogen Zymoseptoria tritici. Both pseudomonads and Z. tritici were extensively characterized at the phenotypic and genomic level. Z. tritici shows considerable intra-specific variation in the production of antibiotic metabolites and life history traits on leaves. Both groups are also well known to strongly interact with other members of the plant microbiome. By co-inoculating wheat leaves, we will be able to quantify the colonization success and/or competitive exclusion of pseudomonads and Z. tritici. By replicating the experiment with a large set of highly diverse Z. tritici strains, we will be able to directly infer the fungal genes involved in the interaction using genome-wide association mapping. A complementary approach will focus on the genetic basis of pseudomonads. For this, we will analyze the pseudomonad - Z.tritici interaction using transcriptomic analyses and screens of mutants defective in the production of antifungal metabolites. This will reveal Pseudomonas genes that likely evolved to compete with fungi in the phyllosphere. Taken together, the set of experiments will establish an innovative model system for plant microbiome interactions relevant for human pathogenic bacteria. We will be able to directly identify the genes involved in ecological interactions of pseudomonads and a major fungal pathogen. Knowledge of these loci will provide important insights into the mechanisms of competitive exclusion and persistence of bacteria in the phyllosphere microbiome.
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