Transcriptional profiling of Bacillus amyloliquefaciens FZB42 in response to seed and root exudates collected under different nutrient regimes

Abstract

Plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) live in close association with plants and improve their growth. Bacillus amyloliquefaciens strain FZB42 is a prominent plant root-colonizing bacterium that is able to stimulate the growth of maize. To decipher the molecular cross-talk between B. amyloliquefaciens and crop plants, an exploratory analysis of the effect of seed and root exudates on the transcriptome of Bacillus amyloliquefaciens FZB42 was performed. Root exudates were collected from maize plants grown in an axenic hydroponic system under nutrient sufficiency or under deficient supply of nitrogen (N), phosphorus (P), iron (Fe) or potassium (K). An analysis of primary metabolites in the exudates was carried out, compared between treatments, and correlated with the transcriptional profiles of Bacillus amyloliquefaciens FZB42 that were gained after incubation of the bacterial culture with the root exudates. Higher exudation rates of citrate were found under Fe deficiency and greater release of ã-amino butyric acid under P deficiency. Based on a negative correlation observed between the average diffusion coefficient of N, P, K, and Fe in soils and the exudation rates of primary metabolites under conditions of N, P, K, or Fe deficiency, it was hypothesized that the exudation of sugars, amino acids and organic acids may reflect the availability and mobility of plant nutrients in soils. In the presence of seed and root exudates collected from nutrient-sufficient plants, genes involved in spore germination, transport and utilization of nutrients, biosynthesis pathways, multidrug transporters, motility and competence development were differentially expressed. In comparison to P, Fe and K, N-deficient maize root exudates caused a more distinguished change in the transcriptome of bacteria when they were in the logarithmic growth phase. During this growth phase, a number of genes coding for ribosomal proteins were down-regulated by N-deficient maize root exudates, indicating that bacterial activity was repressed. Exclusively in the presence of P-deficient maize root exudates, several genes associated to bacterial motility were induced. Moreover, a gene involved in the biosynthesis of the auxin precursor tryptophan was up-regulated by all deficiency treatments. In the transitional growth phase of Bacillus amyloliquefaciens FZB42, several genes were commonly down-regulated in different deficiency treatments. This finding is in agreement with previous studies showing that quorum-sensing and starvation-sensing are integrated to regulate cell entry into the transient phase. Taken together, this is the first study comparing the effect of different nutrient deficiencies on the composition of primary metabolites in root exudates of one plant species and evaluating systematically the transcriptional response of a Gram-positive PGPR to seed and root exudates collected from plants grown under different nutrient regimes. This analysis provides new information about the early communication between plant roots and PGPR and points to involved genes and processes that merit further investigation.

Pflanzenwachstumsfördernde Rhizosphärenbakterien (plant growth-promoting rhizobacteria, PGPR) leben in enger Assoziation mit Pflanzen und verbessern deren Wachstum. Bacillus amyloliquefaciens FZB42 ist ein prominenter Vertreter wurzelkolonisierender Bakterien, die das Wachstum von Maispflanzen stimulieren. Um einen Beitrag zur Aufklärung des molekularen Signalaustausches zwischen Bacillus amyloliquefaciens und Kulturpflanzen zu leisten, wurde der Einfluss von Samen- und Wurzelexsudaten auf die Gesamtheit der exprimierten Gene (Transkriptom) von Bacillus amyloliquefaciens FZB42 untersucht. In einer axenischen Nährlösungskultur wurden Wurzelexsudate von Maispflanzen gesammelt, die unter ausreichender Nährstoffversorgung oder unter Mangel an Stickstoff (N), Phosphor (P), Eisen (Fe) oder Kalium (K) angezogen wurden. Die gesammelten Exsudate wurden hinsichtlich ihrer Zusammensetzung an primären Metaboliten charakterisiert und dann in Bezug zu den Transkriptionsprofilen der Bakterien gesetzt. Unter Fe-Mangel kam es zu höheren Exsudationsraten an Citrat und unter P-Mangel zu verstärkter Abgabe an γ-Aminobuttersäure. Auf Grundlage einer negativen Korrelation zwischen dem durchschnittlichen Diffusionskoeffizienten von N, P, K und Fe in Böden und den Exsudationsraten von Primärmetaboliten unter N-, P-, K- oder Fe-Mangel wurde die Hypothese aufgestellt, dass die Abgabe von Zuckern, Aminosäuren und organischen Säuren die Verfügbarkeit und Mobilität dieser Pflanzenährstoffe in Böden widerspiegelt. Einige Gene der Sporenbildung und -keimung, des Nährstofftransportes und Stoffwechsels, verschiedener Biosynthesewege, sowie der Mobilität und Kompetenzentwicklung waren nach Inkubation der Bakterien mit Samen- oder Wurzelexsudaten differentiell exprimiert, wenn die Pflanzen keinen Nährstoffmangel hatten. Im Vergleich zu Exsudaten aus P-, Fe- oder K-Mangelpflanzen, führten Exudate von N-Mangelpflanzen zu einer stärkeren Veränderung des bakteriellen Transkriptoms, wenn sich die Bakterien in der logarithmischen Wachstumsphase befanden. Während dieser Wachstumsphase wurde durch N-Mangelexsudate eine Vielzahl von Genen reprimiert, die ribosomale Proteine kodieren, wodurch sich andeutet, dass die bakterielle Aktivität gehemmt wurde. Nur in Gegenwart von P-Mangelexsudaten wurden bakterielle Gene induziert, die mit der Motilität der Bakterien zusammenhängen. Darüber hinaus wurde durch alle Exsudate von Mangelpflanzen ein Gen induziert, das an der Biosyntheses der Auxinvorstufe Tryptophan beteiligt ist. In der stationären Wachstumsphase von Bacillus amyloliquefaciens FZB42 gab es nur geringe Unterschiede in der Expression von Genen durch die unterschiedlichen Exsudate. Dies ist in Übereinstimmung mit früheren Arbeiten, die zeigen, dass ?quorum-sensing? und ?Mangel-sensing? integriert werden, um den Eintritt der Bakterien in die stationäre Wachstumsphase einzuleiten. Diese Arbeit vergleicht zum ersten Mal den Einfluss unterschiedlicher Nährstoffmangelsituationen auf das Profil primärer Metabolite in Wurzelexsudaten in einer Pflanzenart und untersucht systematisch die transkriptionelle Reaktion eines Grampositiven, wachstumsfördernden Bakteriums auf Samen- und Wurzelexsudate von Pflanzen in unterschiedlicher Nährstoffmangelsituationen. Mit dem Hinweis auf Gene und Prozesse, die am molekularen Signalaustausch zwischen Pflanzenwurzeln und PGPR beteiligt sein könnten, leistet diese Arbeit einen Beitrag zum besseren Verständnis der möglichen Kommunikation der beiden Partner innerhalb ihrer Assoziation.