Home About Browse Search
Svenska


Interactions of fungal pathogens and antagonistic bacteria in the rhizosphere of Brassica napus

Gkarmiri, Konstantia (2018). Interactions of fungal pathogens and antagonistic bacteria in the rhizosphere of Brassica napus. Diss. (sammanfattning/summary) Uppsala : Sveriges lantbruksuniv., Acta Universitatis Agriculturae Sueciae, 1652-6880 ; 2018:4
ISBN 978-91-7760-148-7
eISBN 978-91-7760-149-4
[Doctoral thesis]

[img]
Preview
PDF - Published Version
25MB

Abstract

The rhizosphere is an active interface where plants and microorganisms (pathogenic, beneficial and neutral) establish a complex and varied molecular dialogue, however knowledge of the functional mechanisms mediating interactions is still limited. Plants invest a significant proportion of their photosynthetically fixed carbon in maintaining the rhizosphere microbiome via root exudation and in return beneficial microbes provide profitable functions to the plant. The potential of naturally occurring soil microorganisms to control phytopathogens and to promote plant growth is well documented, but the functional mechanisms governing the reciprocal signaling between microbial communities and plants are not well understood. The aim of the studies described in this thesis was to gain insight into the functional basis of interactions between the fungal root pathogen Rhizoctonia solani and root associated antagonistic bacteria of the genus Serratia in the rhizosphere of Brassica napus.
Transcriptomic responses of the oilseed rape pathogen R. solani, to the plant-associated and pathogen- antagonistic bacteria Serratia proteamaculans S4 and S. plymuthica AS13, were studied using RNA-sequencing. The results demonstrate a major shift in the fungal gene expression with simultaneous alterations in primary metabolism, activation of defense and attack mechanisms and distortions in hyphal morphology.
Stable isotope probing coupled with high throughput sequencing allowed the description of the composition of bacterial and fungal communities in the rhizosphere soil and the roots of B. napus and the identification of active taxa capable of assimilating recently fixed plant carbon. Our results support the idea of active selection of microbial communities from the more diverse rhizosphere environment by the roots. Furthermore, the data confirm the potential of some active genera (Streptomyces, Rhizobium, Clonostachys and Fusarium) to be used as microbial inoculants for improved productivity and health of oilseed rape.
Patterns of gene expression in B. napus exposed to factorial combinations of R. solani and S. proteamaculans S4 were examined in-vitro using RNA-sequencing. Plants inoculated with R. solani only were almost dead at 240h post-inoculation and massive transcriptional reprogramming was observed, whereas the presence of S4 modulated the transcriptional responses and resulted in healthy plants. With R. solani present, we observed an interplay between stress and defense involving salicylic acid, jasmonic acid, ethylene and abscisic acid as common regulators. Induced systemic resistance when S4 present potentially depends on jasmonic acid, auxin and salicylic acid. Downregulation of stress-related and upregulation of defense-related genes were associated with transcriptional responses suggesting floral induction and plant development.

Authors/Creators:Gkarmiri, Konstantia
Title:Interactions of fungal pathogens and antagonistic bacteria in the rhizosphere of Brassica napus
Alternative abstract:
LanguageAbstract
Swedish

Rhizosfären är ett aktivt gränsskikt där växter och mikroorganismer (patogena, mutualistiska och neutrala) upprättar en komplex och varierad molekylär dialog, men kunskap om de underliggande funktionella mekanismerna bakom deras samspel är fortfarande begränsad. Växter investerar en betydande del av sin energi från fotosyntesen för att upprätthålla rhizosfärsmikrobiomen med hjälp av sitt energirika rotexudat och i gengäld får de näring samt skydd mot växtpatogener av nyttiga mikrober. Potentialen hos dessa jordlevande mikrober med avseende på skydd mot växtpatogener och stimulera växternas tillväxt är väldokumenterad, men vi förstår fortfarande inte de bakomliggande funktionella mekanismerna, eller de signaler som styr samspelet mellan dessa organismer. Syftet med studier i denna avhandling är att få insikt om de funktionella verkningssätten för samspelet mellan rapspatogenen Rhizoctonia solani, antagonistiska bakterier av släktet Serratia och oljeväxten, Brassica napus.

RNA-sekvensering användes för att studera samspelet mellan rapspatogenen, R. Solani, och de växtassocierade antagonistiska bakterierna Serratia proteamaculans S4 och S. plymuthica AS13. Svampens mycelmassa genomgick drastiska strukturella förändringar vid saminokuleringen med bakterierna och omfattande förändringar observerades i svampens genuttryck avseende den primära metabolismen, samt en aktivering av svampens försvar och angreppsmekanismer.

I en separat studie, pulsmärktes unga rapsplantor med 13CO2 i syfte att identifiera de mikroorganismer som förekommer i rhizosfären och som lever på kol i rotexudat. Det inmärkta kolet följdes i mikroorganismerna med metoden 13C-RNA-SIP. Kombinationen av 13C-RNA-SIP med massiv sekvensering av DNA- och RNA-markörer möjliggjorde identifieringen av aktiva bakterie- och svampsamhällen i rhizosfärsjorden i jämförelse med i rapsens rötter. Våra resultat stödjer idén att rötterna har förmågan till aktivt urval av mikrooganismer från den artrika rhizosfären. Flera aktiva mikroorganismer såsom Streptomyces, Rhizobium, Clonostachys och Fusarium upptäcktes också i unga rapsrötterna med potential att förbättra produktivitet och hälsa hos raps genom att säkerställa uppkomst och tidig etablering av grödan.

Genuttrycken hos B. napus fröplantor studerades med hjälp av RNA-sekvensering i faktoriella kombinationer med R. solani och S. proteamaculans S4 i en steril gnotobiotisk miljö. Då växtrötter inokulerades med enbart R. solani var de nästan döda efter 240h och en omfattande transkriptionell omprogrammering observerades. Inokulering med S4 däremot resulterade i måttliga transkriptionella förändringar av genuttrycket, samt friska växter. Vid inokulering med R. solani ett samspel mellan stress- och försvarsassocierade gener observerades, som involverar salicylsyra, jasmonsyra, eten och abscisinsyra. Inducerad systemisk resistens observerades vid inokulering med S4, vilket kan potentiellt förklaras med ett samspel mellan jasmonsyra, indole ättiksyra (auxin) och salicylsyra. Nedreglering av stressrelaterade gener medan uppreglering av försvarsrelaterade gener var kopplade till uttryck av gener som styr blomning och plantornas tillväxt och utveckling.

Series/Journal:Acta Universitatis Agriculturae Sueciae (1652-6880)
Year of publishing :16 February 2018
Depositing date:12 February 2018
Volume:2018:4
Number of Pages:125
Papers/manuscripts:
NumberReferences
1Gkarmiri, K., Finlay, R.D., Alstrom, S., Thomas, E., Cubeta, M.A. & Hogberg, N. (2015). Transcriptomic changes in the plant pathogenic fungus Rhizoctonia solani AG-3 in response to the antagonistic bacteria Serratia proteamaculans and Serratia plymuthica. Bmc Genomics, 16.
2Gkarmiri, K., Mahmood, S., Ekblad, A., Alstrom, S., Hogberg, N. & Finlay, R. (2017). Identifying the Active Microbiome Associated with Roots and Rhizosphere Soil of Oilseed Rape. Applied and Environmental Microbiology, 83(22).
3Konstantia Gkarmiri, Sadhna Alström, Roger D. Finlay & Nils Högberg. Modification of the Brassica napus transcriptome by Serratia proteamaculans S4 during interaction with the plant pathogenic fungus Rhizoctonia solani AG2-1. (Manuscript)
Place of Publication:Uppsala
Publisher:Department of Forest Mycology and Plant Pathology, Swedish University of Agricultural Sciences
ISBN for printed version:978-91-7760-148-7
ISBN for electronic version:978-91-7760-149-4
ISSN:1652-6880
Language:English
Publication Type:Doctoral thesis
Full Text Status:Public
Agris subject categories.:H Protection of plants and stored products > H01 Protection of plants - General aspects
P Natural resources > P34 Soil biology
Subjects:(A) Swedish standard research categories 2011 > 1 Natural sciences > 106 Biological Sciences (Medical to be 3 and Agricultural to be 4) > Bioinformatics and Systems Biology (methods development to be 10203)
(A) Swedish standard research categories 2011 > 1 Natural sciences > 106 Biological Sciences (Medical to be 3 and Agricultural to be 4) > Ecology
(A) Swedish standard research categories 2011 > 4 Agricultural Sciences > 404 Agricultural Biotechnology > Plant Biotechnology
Agrovoc terms:rhizosphere, Serratia, Brassica napus, antagonism
Keywords:rhizosphere, Serratia bacteria, plant-microbe interactions, active microbiome, Brassica napus, Rhizoctonia solani, RNA-sequencing, transcriptome, antagonism
URN:NBN:urn:nbn:se:slu:epsilon-e-4742
Permanent URL:
http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:slu:epsilon-e-4742
ID Code:15301
Faculty:S - Faculty of Forest Sciences
Department:(NL, NJ) > Dept. of Forest Mycology and Plant Pathology
(S) > Dept. of Forest Mycology and Plant Pathology
External funders:FORMAS
Deposited By: Konstantia Gkarmiri
Deposited On:13 Feb 2018 11:17
Metadata Last Modified:13 Feb 2018 11:17

Repository Staff Only: item control page