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Importance of biotic interactions for the fitness and activity of rhizosphere biocontrol pseudomonads

Jousset, Alexandre :
Importance of biotic interactions for the fitness and activity of rhizosphere biocontrol pseudomonads.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2009)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Importance of biotic interactions for the fitness and activity of rhizosphere biocontrol pseudomonads
Language: English
Abstract:

This work investigates the ecology of biocontrol bacteria in the rhizosphere of crop plants. It focuses on biotic interactions influencing the fitness and the activity of these bacteria, and on defence mechanisms increasing their competitiveness against other bacteria. A number of soil bacterial present antagonistic activity against soil borne plant pathogens by producing antibiotics and enzymes. Thereby they bear potential for developing environmentally friendly management of crop diseases, as an alternative to conventional fungicides or fumigants. The application of such biocontrol bacteria, however, is still limited by the lack of consistency in their survival and antagonistic activity. Introduced bacteria often fail to establish in soil or remain in an inactive state. Biotic interactions are central for the fitness of introduced strains. Bacteria in soil compete with indigenous microorganisms present in high density and diversity. Further, they are exposed to a complex community of predators, in particular protozoa and nematodes. In order to successfully use bacterial inoculants under field conditions there is a need to better understand which interactions are the most relevant for the survival of introduced strains, and which defence mechanisms help bacteria to establish stable and persisting populations. Especially toxins play an important role. Antibiotics responsible for phytopathogen inhibition are often inhibitors of bacterial growth, and are highly toxic against protozoan predators. We used as model organism the biocontrol bacterium Pseudomonas fluorescens CHA0, an efficient coloniser of crop plants with a strong antagonistic activity against fungal pathogens and root knot nematodes. We tested if bacterial toxicity enhances competitiveness against other rhizosphere bacteria and improve resistance against predation pressure, and if bacteria alter the production of toxins in response to predator chemical cues or to signal molecules involved in plant - bacteria communication The first two experiments investigated the impact of bacterial toxins and microfaunal predation on intra- and interspecific competition among bacteria in the rhizosphere. We used gnotobiotic or semi-natural simplified microcosms with and without predators. Predation favoured toxic phenotypes and increased their competitiveness against other rhizobacteria such as non-toxic spontaneous mutants. This suggests that toxins of biocontrol bacteria primarily function as antipredator defence, and that microfaunal predators promote toxic bacteria thereby enhancing soil suppressiveness. The third and fourth experiments investigated the chemical ecology of biocontrol bacteria. By using green fluorescent protein (gfp) reporter fusions reflecting the expression of the main biocontrol genes, we followed changes in toxin production in response to chemical cues from predators and the host plant. The results demonstrated that bacteria sense chemical cues from free living amoebae, and respond by increased toxin production. Bacterial toxicity was also influenced by the host plant, which modulated the expression of antifungal genes upon infection with a root pathogen. The results suggest that bacteria adjust the production of toxins in response to a wide range of environmental parameters in order to optimise the costs and benefits of defence mechanisms. The fifth experiment explored the integration of introduced biocontrol bacteria in soil food webs by RNA Stable Isotope Probing (SIP). In this experiment wildtype and gacS- strains of P. fluorescens CHA0 were labelled with 13C and introduced in an agricultural soil. Microfaunal predators consuming both strains were resolved by T-RFLP and RT-qPCR of the 18S rRNA. The results indicate that carbon is transferred rapidly to higher trophic levels, and that toxic bacteria were consumed by a distinct and more restricted eukaryote community than bacteria without defence mechanisms. In conclusion, the production of extracellular toxins by biocontrol bacteria appear thus to be crucial for their competitiveness in the soil. This overlapping of antipredator and crop protecting traits opens promising possibilities of improvement of the efficiency of microbial biocontrol agents by manipulating the predation regime.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Diese Arbeit untersucht die Ökologie von Biokontroll-Bakterien in der Rhizosphäre von Nutzpflanzen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf biotischen Interaktionen, die die Fitness und Aktivität dieser Bakterien beeinflussen, und auf Verteidigungsmechanismen, die ihre Wettbewerbsfähigkeit gegenüber anderen Bakterien steigern. Viele Bodenbakterien zeigen antagonistische Aktivität gegen Pflanzenpathogene im Boden, indem sie Antibiotika und Enzyme produzieren. Dadurch enthalten sie Potenzial für die Entwicklung von umweltfreundlicher Behandlung von Nutzpflanzen-Krankheiten, als eine Alternative zu konventionellen Fungiziden. Die Anwendung solcher Biokontroll-Bakterien ist jedoch immer noch begrenzt durch die mangelnde Beständigkeit ihres Überlebens und ihrer antagonistischen Aktivität. Inokulierte Bakterien können sich oft nicht im Boden etablieren oder verbleiben in einem inaktiven Status. Biotische Interaktionen sind zentral für die Fitness inokulierter Stämme. Bakterien im Boden konkurrieren mit in grosser Dichte und Diversität präsenten einheimischen Mikroorganismen. Weiter sind sie einer komplexen Prädatorengemeinschaft ausgesetzt, insbesondere Protozoen und Nematoden. Um erfolgreich Bakterien-Impfungen unter Feldbedingungen anwenden zu können, muss besser verstanden werden, welche Interaktionen die relevantesten für das Überleben der inokulierten Stämme sind, und welche Verteidigungsmechanismen den Bakterien helfen, stabile und beständige Populationen zu bilden. Besonders Giftstoffe spielen eine wichtige Rolle. Phytopathogenhemmende Antibiotika wirken oft hemmend auf das Bakterienwachstum und sind hoch giftig gegen prädatorische Protozoen. Wir verwendeten als Modellorganismus das Biokontroll-Bakterium Pseudomonas fluorescens CHA0, ein effizienter Besiedler von Nutzpflanzen mit einer starken antagonistischen Aktivität gegen Pilzbefall und parasitische Nematoden. Wir testeten, ob die Giftigkeit der Bakterien die Wettbewerbsfähigkeit gegenüber anderen Rhizosphären-Bakterien erhöht und ob sie die Resistenz gegen Prädationsdruck verbessert, und ob Bakterien die Produktion von Giftstoffen in Reaktion auf chemische Signale der Prädatoren oder auf Moleküle, die in die Kommunikation zwischen Pflanze und Bakterien involviert sind, verändern. Die ersten beiden Experimente untersuchen den Einfluss von Bakterien-Giftstoffen und mikrofaunaler Prädation auf die intra- und interspezifische Konkurrenz zwischen Bakterien in der Rhizosphäre. Wir verwendeten gnotobiotische oder halb-natürliche vereinfachte Mikrokosmen mit und ohne Prädatoren. Prädation begünstigte toxische Phänotypen und erhöhte deren Wettbewerbsfähigkeit gegenüber anderen Rhizobakterien wie ungiftigen spontanten Mutanten. Dies legt nahe, dass Giftstoffe von Biokontroll-Bakterien primär als Verteidigung gegen Prädatoren wirken, und dass mikrofaunale Prädatoren giftige Bakterien begünstigen, wodurch die natürliche Eigenschaft des Bodens, die Entwicklung von Pflanzenpathogenen zu hemmen, gefördert wird. Das dritte und das vierte Experiment untersuchen die chemische Ökologie von Biokontroll-Bakterien. Durch die Verwendung von auf grün fluoreszierenden Proteinen (gfp) basierenden Reporterfusionen, die die Expression der Hauptbiokontrollgene spiegeln, verfolgten wir Veränderungen der Giftproduktion in Reaktion auf chemische Signale von Prädatoren und der Wirtplanze. Die Ergebnisse zeigten, dass Bakterien chemische Signale von freilebenden Amöben erkennen und darauf mit erhöhter Giftproduktion reagieren. Die Bakteriengiftigkeit wurde ebenfalls beeinflusst durch die Wirtpflanze, die die Expression antifungaler Gene auf die Infektion mit Wurzelpathogenen abstimmte. Die Ergebnisse zeigen, dass Bakterien die Giftproduktion in Reaktion auf ein breites Spektrum an Umweltfaktoren anpassen, um Kosten und Nutzen der Verteidigungsmechanismen zu optimieren. Das fünfte Experiment untersucht die Integration inokulierter Bakterien in Bodennahrungsketten durch RNA Stable Isotope Probing (SIP). In diesem Versuch wurden wildtype und gacS-Stämme von P. fluorescens CHA0 mit 13C markiert und in einen Ackerboden inokuliert. Mikrofaunale Prädatoren wurden durch T-RFLP und RT-qPCR der 18S rRNA nachgewiesen. Die Ergebnisse zeigen, dass Kohlenstoff schnell auf höhere trophische Ebenen transferiert wird, und dass die Produktion von Giftstoffen die Anzahl Bakterienkonsumenten reduziert. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die Produktion extrazellulärer Gifte durch Biokontroll-Bakterien als entscheidend für deren Wettbewerbsfähigkeit im Boden erscheint. Diese Überlappung von antiprädatorischen und pflanzenschützenden Eigenschaften eröffnet vielversprechende Möglichkeiten zur Verbesserung der Effizienz von mikrobiellen Biokontroll-Agenten durch die Manipulation des Prädationsdrucks.German
Uncontrolled Keywords: Pseudomonas, biocontrol, rhizosphere, DAPG, protozoa, chemical ecology, cheating, pythium, amoebae, soil, barley, rice, GFP
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Pseudomonas, biocontrol, rhizosphere, DAPG, protozoa, chemical ecology, cheating, pythium, amoebae, soil, barley, rice, GFPEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: Biology
Date Deposited: 05 Nov 2009 13:55
Last Modified: 07 Dec 2012 11:55
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-13991
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Scheu, Prof. Dr. Stefan and Bonkowski, Prof. Dr. Michael
Refereed: 8 May 2009
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1399
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