Project

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Improving Plant Root Interactions with Beneficial Microbes: The role of Plant Immunity and Metabolite Exudation

Applicant Schläpfer Joëlle
Number 185831
Funding scheme PRIMA
Research institution Molekulare Pflanzenphysiologie Institut für Pflanzenbiologie Universität Zürich
Institution of higher education University of Zurich - ZH
Main discipline Molecular Biology
Start/End 01.03.2020 - 28.02.2025
Approved amount 1'519'689.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Molecular Biology
Environmental Research

Keywords (6)

Rhizosphere; Root exudation; Plant-microbe interactions; Plant transporters; Metabolomics; Plant immune system

Lay Summary (German)

Lead
Pflanzenwurzeln interagieren mit verschiedenen Mikroben, welche im Boden vorkommen. Bösartige Mikroben können zu gravierenden Ernteausfällen führen. Gutartige Mikroben haben das Potential, das Pflanzenwachstum und -ertrag zu fördern. Damit man das Wachstum guter Mikroben gezielt fördern kann muss zuerst die Interaktion unterschiedlichster Mikroben mit Wurzeln verschiedener Pflanzen besser verstanden werden. Dieses Projekt untersucht, wie Pflanzen diese Interaktion durch ihr Immunsystem und ihre Exudation beeinflussen.
Lay summary

Inhalt und Ziele des Forschungsprojekts

Dieses Grundlagenforschungs-Projekt hat zum Ziel, zu verstehen, wie verschiedene Pflanzen ihre Interaktion mit gut- und bösartigen Mikroben steuern können. Es wurde gezeigt, dass Mikroben durch das pflanzliche Immunsystem erkannt werden können. Es wurde gezeigt, dass die Erkennung von Mikroben zu einer Veränderung des pflanzlichen Metabolismus führen kann. Pflanzliche Metaboliten, welche durch die Wurzel ausgeschieden werden, können wiederum verschiedene Mikroben anziehen oder abstossen. Trotz diesen vereinzelten Beispielen sind die genauen Mechanismen, wie die Erkennung von Mikroben durch das Immunsystem oder die darauffolgenden, metabolischen Veränderungen, grösstenteils unklar. Ebenfalls unklar ist, wie ob diese metabolischen Veränderungen auch im Exudationsprofil vorkommen.

Dieses Projekt ist in drei Teile gegliedert. Einerseits werden Wurzelexudate unterschiedlicher Pflanzen mit den jeweiligen wurzelassoziierten Mikroben verglichen, um zu verstehen, wie sich unterschiedliche Exudatzusammensetzungen auf die Zusammensetzung der Mikrobengesellschaften auswirkt. Zweitens wird die Interaktion zwischen gutartigen Mikroben, bösartigen Mikroben, dem pflanzlichen Immunsystem, und dem pflanzlichen Metabolismus untersucht. Drittens werden Proteine charakterisiert, welche Metabolite aus der Wurzel in den Boden exportieren, und somit das Exudationsprofil der Pflanzen verändern. Alle Teile dieses Projekts werden dazu beitragen, die Interaktion zwischen Wurzeln und Mikroben besser zu verstehen.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Die ‘grüne Revolution’ im letzten Jahrhundert führte mit Hilfe von industriellem Dünger und neuen Pflanzensorten zu einem Anstieg an Ertrag bei gleicher angebauten Feldfläche. In Zukunft werden verschiedene fossile Dünger nicht mehr vorhanden sein und der Ertrag von Nutzpflanzen muss bei dem vorausgesagten Bevölkerungswachstum weiter zunehmen. Bei beiden Prozessen können gutartige Mikroben einen beträchtlichen Beitrag liefern. Gutartige Mikroben haben das Potential, als ‘biologischer Dünger’ in der Landwirtschaft verwendet zu werden um Stoffe, die im Boden vorhanden sind, besser zu verwerten. Erste, einfache Versuche mit gutartigen Mikroben in der Landwirtschaft haben jedoch nur zum Teil zu einer Ertragssteigerung geführt. Um besser von den Mikroben profitieren zu können, besteht in der Industrie als auch in der Forschung grosses Interesse, die Interaktion von unterschiedlichsten Pflanzen mit gut- und bösartigen Mikroben besser zu verstehen. Dazu leistet dieses Projekt einen Beitrag.

Direct link to Lay Summary Last update: 14.02.2020

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
200184 Biotinkering for Youth 01.04.2021 Agora

Abstract

The interactions between plants and beneficial microbes are currently in focus in both, academia and industry, due to their potential to support plant health and yield, raising hopes for a second green revolution advancing agricultural practices. Beside few examples, we are currently not able to inoculate crops with beneficial microbes to increase yield and stress resistance in a reproducible manner. Working towards this goal, the field of plant-microbe interactions puts considerable efforts into characterizing the structure and function of microbial networks aiming to design stable microbial communities performing a specific function. However, the host organism is often completely ignored. Here, I propose to take a complementary approach, focusing on how plants shape their interaction with microbes. The objective of this study is to learn how plant metabolism and immunity shape plant-microbe interactions. Roots release metabolites (exudates) into the soil, which can act as nutrients and/or signals to the microbial community. It is largely enigmatic how exudation is regulated, if exudates of different species contain characteristic metabolites, and how exudation affects root microbiome composition. Although few transporter proteins are crucial to exudation, the mode of how compounds are exuded, and which transporters are involved in the process, is largely unknown. Plant immunity further governs interaction with pathogenic and beneficial microbes, partially by regulating metabolite transport. However, it is largely unclear which metabolic pathways are regulated by plant immunity, and how this affects exudation and microbiome composition.I propose three aims to learn how plant metabolism and immunity shape interactions with microbes. In Aim 1, phylogenetically different plant species will be investigated for commonalities and differences in their root exudation and in their microbiome profile with liquid chromatography/mass spectrometry (LC/MS) and 16S rRNA gene sequencing, respectively. Microbes will be isolated to test if key microbes associating with a specific host preferentially metabolize key compounds specifically exuded by their host. In Aim 2, the genetic and metabolic response of Arabidopsis thaliana to beneficial and pathogenic microbes will be analyzed with RNAseq and LC/MS, respectively, determining metabolic pathways involved in exudation. The analysis of immune-deficient plants will further determine the responses dependent on immunity. In Aim 3, I will characterize transporter proteins involved in exudation and microbiome composition. A multi-step approach will select candidates with LC/MS exudate and microbiome profiles distinct from wild-type for in vitro analysis regarding substrate utilization, transporter kinetics, and subcellular localization, as well as in planta analysis regarding tissue-specific localization, and altered colonization by microbial strains. This research will result in description of the key metabolic pathways involved in exudation, and on their dependency on plant immunity, linking plant metabolism and plant immune responses. The determination of specific metabolites exuded by phylogenetically distinct plants together with the determination of microbial substrate specificity will shed light on metabolic dependency of microbes on plants. The identification of transporters involved in exudation and microbiome composition presents a strategy to investigate how altered exudation affects microbiome structure and plant health. My research has the potential to open a new field in plant-microbe research, and will impact how plant-microbe dependencies will be engineered to support health and yield of a specific plant in a specific environment.
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