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Interaction in the rhizosphere of Arabidopsis thaliana

Rosenberg, Katja :
Interaction in the rhizosphere of Arabidopsis thaliana.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Interaction in the rhizosphere of Arabidopsis thaliana
Language: English
Abstract:

The present study investigated the effect of a common soil amoeba, Acanthamoeba castellanii, on bacterial community composition in the rhizosphere of Arabidopsis thaliana. In the first experiment a fingerprinting method was established to detect grazing induced shifts on bacterial communities in a sand/litter system. The effect of different extraction protocols on fingerprinting was assessed. The use of a method including a phenol/chloroform purification step proved to be most efficient for monitoring grazing-induced shifts with denaturing gradient gel electrophoreses (DGGE). Bacterivorous protozoa alter the structure of bacterial communities in the rhizosphere of plants, and these changes likely contribute to plant growth-promoting effects of protozoa. In the second experiment effects of protozoan grazing on bacterial community composition was investigated with DGGE and fluorescence in situ hybridisation (FISH). DGGE fingerprinting pattern demonstrated rapidly induced changes in the composition of the bacterial community, some bands already disappeared two days past inoculation of amoebae. Using FISH with probes for major bacterial phyla a decrease in metabolically active bacteria in presence of amoeba could be demonstrated. However, simultaneously their proportion strongly increased. The decrease in numbers was most pronounced in Betaproteobacteria and Firmicutes. The quantity of Gammaproteobacteria was not affected by protozoan grazing but DGGE with specific primers for pseudomonads revealed functional shifts in the gacA gene. Protozoa are known to increase plant growth by mobilization of nutrients due to grazing on bacteria and by grazing induced shifts in bacterial community composition favouring plant growth promoting rhizobacteria. In a third experiment it was investigated if protozoan-mediated changes in plant performance are based on changes in the composition of the rhizosphere bacterial community or on nutrient based effects. Arabidopsis thaliana was grown in a sand/litter substrate inoculated with single strains of bacteria or a diverse bacterial soil filtrate and Acanthamoeba castellanii. Plant rosette diameter, as indicator for plant biomass and fitness, was generally increased in presence of amoebae, whereas root biomass was reduced in both single strain bacteria treatments. Further amoebae increased plant tissue nitrogen concentration resulting in lower C-to-N ratio. Amoeba-mediated changes in rosette diameter and plant tissue C-to-N ratio were not significantly different between the single strain and diverse bacterial communities suggesting that the effects were independent of bacterial community composition. The results of the present study suggest that nutrient based effects caused by grazing of the amoeba on bacterial biomass and thereby mobilizing nutrients locked in bacterial tissue are more important than grazing induced shifts in bacterial community composition.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss einer weit verbreiteten Bodenamöbe, Acanthamoeba castellanii, auf die Zusammensetzung bakterieller Gemeinschaften in der Rhizosphäre von Arabidopsis thaliana. In einem ersten Experiment wurde eine molekularökologische Methode etabliert, die es erlaubt, den Einfluss von Prädatoren auf die Struktur und Funktion von bakteriellen Gemeinschaften in einem experimentellen Sand/Streu System zu untersuchen. Zur Etablierung der Methode wurden verschiedene Protokolle zur DNA und RNA Extraktion verglichen. Die Methode, die einen Aufreinigungsschritt mit Phenol/Chloroform enthielt, zeigte dabei das beste Resultat in Bezug auf die Verfolgung von Fraß-induzierten Veränderungen in der bakteriellen Gemeinschaft mittels Denaturierender Gradienten Gel Elektrophorese (DGGE). Die Beweidung von Bakterien durch Protozoen verändert die Zusammensetzung bakterieller Gemeinschaften in der Rhizosphäre von Pflanzen. Diese Veränderungen gehen mit einem verbesserten Pflanzenwachstum einher. In einem zweiten Experiment wurde der Einfluss von Protozoen auf bakterielle Gemeinschaften mit Hilfe von DGGE und Fluoreszenz In Situ Hybridisierung (FISH) untersucht. DGGE Fingerabdrücke zeigten eine schnelle Veränderung der Bakteriengemeinschaft, da einzelne Banden schon zwei Tage nach Beimpfung mit Amöben nicht mehr sichtbar waren. Mittels FISH konnte eine Verringerung von metabolisch aktiven Bakterien in den phylogenetischen Hauptgruppen gezeigt werden, gleichzeitig veränderte sich der relative Anteil dieser Gruppen an der Gesamtheit der Bakterien. Hauptsächlich reduziert wurden Betaproteobakterien und Firmicuten. Die Anzahl an Gammaproteobakterien wurde nicht durch Protozoen beeinflusst aber durch den Einsatz von spezifischen Primern für Pseudomonaden konnte eine funktionelle Veränderung im gacA-Gen beobachtet werden. Protozoen sind dafür bekannt, dass sie das Pflanzenwachstum durch Rückführung von in bakterieller Biomasse gebundenen Nährstoffen verbessern. Außerdem kann die Beweidung bakterieller Gemeinschaften zu einer Dominanz wachstumsfördernder Rhizobakterien führen. In einem dritten Experiment wurde untersucht, ob Protozoen das Pflanzenwachstum indirekt über Veränderungen der bakteriellen Gemeinschaft oder direkt durch die Freisetzung von Nährstoffen beeinflussen. Arabidopsis thaliana-Pflanzen wuchsen in einem Sand/Streu System und wurden mit bakteriellen Einzelstämmen, einem diversen Inokulum und Acanthamoeba castellanii beimpft. Der Rosettendurchmesser, als Kriterium für pflanzliche Biomasse und Fitness, war generell in Behandlungen mit Amöben erhöht, gleichzeitig war die Wurzelbiomasse in den Behandlungen mit Einzelstämmen erniedrigt. Außerdem erhöhte sich der Stickstoffgehalt im Pflanzengewebe und resultierte in einer Verringerung des C/N-Verhältnisses. Das Wachstum und die Nährstoffgehalte der Pflanzen unterschieden sich nicht zwischen Ansätzen mit Einzelstämmen und diversen Bakteriengemeinschaften, was darauf hinweist, dass der wachstumsfördernde Einfluss von Protozoen unabhängig von der bakteriellen Zusammensetzung ist. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit lassen darauf schließen, dass nährstoffbezogene Effekte durch bakterielle Beweidung von Protozoen eine größere Rolle spielen als Veränderungen in der Zusammensetzung der bakteriellen Gemeinschaft.German
Uncontrolled Keywords: Boden-Pflanze-System, Protozoen, Wurzel, Ackerschmalwand, DNA Fingerprinting, Fluorescence in situ hybridization
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Boden-Pflanze-System, Protozoen, Wurzel, Ackerschmalwand, DNA Fingerprinting, Fluorescence in situ hybridizationGerman
molecular microbial ecology, denaturing gradient gel electrophoreseEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: Biology
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:53
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000968
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-9684
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Scheu, Prof. Dr. Stefan and Maraun, PD Dr. Mark
Advisors: Scheu, Prof. Dr. Stefan
Refereed: 4 April 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/968
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