Project

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Discovering the genes that contribute to changes in plant root exudates.

English title Discovering the genes that contribute to changes in plant root exudates.
Applicant Möller-Steinbach Yvonne
Number 190788
Funding scheme Spark
Research institution Institut für Pflanzen- und Mikrobiologie Universität Zürich
Institution of higher education University of Zurich - ZH
Main discipline Molecular Biology
Start/End 01.12.2019 - 31.03.2021
Approved amount 119'511.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Molecular Biology
Ecology
Genetics

Keywords (5)

Root exudates; secondary metabolites; plant defence; soil microbiome; Arabidopsis thaliana

Lay Summary (German)

Lead
Die Produktivität der Kulturpflanzen wird durch äussere Faktoren wie die Lichtqualität, die Umgebungstemperatur, biotischen oder abiotischen Stress beeinflusst. Pflanzen reagieren auf diese Faktoren mit der Freisetzung bestimmter chemischen Substanzen durch die Wurzeln (Wurzelexudate). Diese spielen eine wichtige Rolle bei der Nährstoffaufnahme, aber auch bei der Abwehr von Pathogenen und Frassfeinden. Dabei bestimmt die Genetik der Kulturpflanze das Spektrum der Wurzelexudate. Gleichermassen können bestimmte Mikroben, welche sich um die Wurzel ansiedeln (Wurzelmikrobiom) die Produktivität der Pflanzen erhöhen. Deswegen besteht ein grosses Interesse in der Landwirtschaft, optimale Kulturpflanzen mit einem optimalem Wurzelmikrobiom anzubauen und die Ernte zu maximieren.
Lay summary
Obwohl der Einfluss der Wurzelexudate auf das Wurzelmikrobiom bekannt ist, sind die für diese Exudate verantwortlichen Gene in der Pflanze weitestgehend unerforscht. Mit der Arbeit dieses Projektes sollen die Gene identifiziert werden, welche das Spektrum der Wurzelexudate verändern. Dabei dient uns Arabidopsis thaliana als Modelpflanze, da eine grosse Kollektion natürlicher Varianten (Ecotypen) existiert. In einer genomweiten Assoziationsstudie (GWAS) konnten wir verschiedene genetische Unterschiede zwischen den Ecotypen bestimmen, welche mit dem Vorhandensein bestimmter Wurzelexudate korrelieren. Durch neue Technologien in der Forschung können iwr nun prüfen, ob Veränderungen in diesen Genen auch die Wurzelexudate verändern. Anhand eines synthetischen Mikrobioms (bestehend aus wenigen vorselektierten Mikrobenspezies) lassen sich Exudate bestimmen, die einen Einfluss auf die Zusammensetzung des Bodenmikrobiomes haben. Unsere Ergebnisse leisten einen Beitrag für Forschung und Landwirtschaft sein und zur Optimierung des Anbaus der Kulturpflanzen.
Direct link to Lay Summary Last update: 20.12.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Prof Laurent Bigler Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Research Infrastructure
- Exchange of personnel

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
Plant Response to Environment Across Scales Poster Dissecting the genes that underly variation of root exudates 11.12.2019 ETH Zurich, Zurich, Switzerland Möller-Steinbach Yvonne;


Abstract

Agricultural productivity depends on the high yield of commercial food crops, such as rice, tomato, pea, and maize. Crop yield is a measure of plant fitness, which is significantly affected by exogenous signals, including light quality and quantity, ambient temperature, biotic and abiotic stresses. Plants are able to modify their fitness, through the release of root exudates into the soil. These compounds play a key role in nutrient uptake and defense against soil-living pathogens and herbivores. The plant’s genotype determines the pattern of exudates, where metabolites make a major contribution to plant health and productivity. Likewise, soil microbes can also improve host health, such as increasing plant biomass or by modifying flowering time. No wonder that there is increasing interest in breeding crops that have an optimum microbial community surround the root, which increases plant growth and productivity in a feedback loop. Although root exudates are known to shape the composition of the root microbiome, the plant genes that underlie variation in root exudates remain largely unknown. Here I propose to map and identify the plant-genes that shape root exudates in Arabidopsis thaliana. By using a metabolomic dataset within a genome-wide association studies (GWAS), major genetic variants associated with the abundance (or presence/absence) of individual root exudates were mapped. The result enclose top candidate genes which might be responsible for changing root exudate profile and subsequently might modify plants fitness. Because mutants are available for (nearly) every gene in the A. thaliana genome, I will be able to investigate whether those candidate genes have altered root exudate profiles, in comparison with their wild-type background. The results should fine tune our understanding of the biochemical pathways that contribute to the release of exudates.In addition, I aim to investigate the beneficial aspects of the exudates towards the soil community by using a synthetic microbiome consisting of predefined bacterial species representing the major bacterial phyla that are regularly found in the roots of A. thaliana. I will test whether any of the candidate genes associated with variation in root exudate chemistry also affect the structure or composition of the microbiome. I expect my results to provide insights into the mechanisms that shape the structure and composition of the plant-microbiome. Confirming the whole spectrum of these genes will be a good contribution to both science and agriculture, for example, in crop improvement.
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