Rhizobiales de rizósfera, relación con el crecimiento de raíz y el sistema inmune de las plantas
El orden Rhizobiales constituye una parte importante del microbiomas núcleo de la raíz de varias especies de plantas, el cual cuenta con especies fijadoras de nitrógeno y promotoras del crecimiento vegetal. Para el estudio del taxa, los autores del trabajo sembraron plantas de Arabidopsis thaliana en suelo, de las cuales obtuvieron la porción de rizósfera, que utilizaron para generar aislados bacterianos que identificaron con ampliaciones del gen 16S rRNA, para posteriormente secuenciar la totalidad de sus genomas y emplearlos (de manera individual) como inóculos en experimentos de jardín común con plantas de Arabidopsis. Para resaltar la importancia del grupo, extrajeron las secuencias del gen 16S rRNA de los genomas secuenciados y complementaron su información con información con datos de estudios previos. Con ello, analizaron la diversidad alfa y beta del grupo de los Rhizobiales.
Figure 1. Conserved Microbiota Member- ship of the Bacterial Order Rhizobiales Analysis of Rhizobiales community diversity using data from five previous 16S rRNA gene amplicon surveys covering root, rhizosphere, and nodule samples of a taxonomically diverse panel of plant hosts grown in a variety of natural and agricultural soils. (A) Aggregated relative abundances of Rhizobiales in each host and compartment (n = 453). Per- centages show the average contribution of Rhi- zobiales to each subset of samples. (B) Analysis of beta-diversity of Rhizobiales be- tween samples across hosts and compartments (indicated by different colors and shapes, respec- tively). Dashed lines correspond to a Gaussian distribution fitted to each cluster (95% confidence interval). See also Figures S1 and S2 and Tables S1 and S2.
Con la información genómica, utilizaron el programa AMPHORA para seleccionar varios marcadores moleculares que les permitieron reconstruir la filogenia del grupo y utilizar al gen nifH como proxy de la capacidad fijadora de nitrógeno y simbiótica del grupo. Con ello, se observa que la mayoría de los Rhizobiales no cuentan con el gen nifH, mismo que probablemente no se encontraba en los grupos basales y que se ha adquirido y perdido múltiples veces. Posteriormente, seleccionaron varios aislados para probar su efecto en crecimiento de las plantas (en longitud de raíz y biomasa de hojas en peso húmedo).
Figure 2. Convergent Evolution of Nitrogen-Fixing Symbiosis in Rhizobiales Phylogenetic tree of rhizobia and maximum likelihood reconstruction of ancestral symbiotic genotypes. Phylogenetic tree of sequenced isolates (n = 1,314) inferred from aligned single-copy marker genes using a Bayesian approach. Different taxonomic groups are indicated by the various colors in the first ring. The second ring depicts newly sequenced isolates in gray (n = 944). Green branches correspond to likely gains of symbiosis genes whereas those in red correspond to probable losses. See also Figures S2 and S3 and Table S1.
Los efectos en el crecimiento de raíz fueron positivos para todos los inóculos de Rhizobiales, mientras que la inoculación con Caulobacterales y Sphingomonadales no mostraron ningún efecto. Uno de los aislados que favoreció el crecimiento de raíz fue Rhizobium 129E, que fue inoculado en raíces que fueron analizadas mediante microscopía confocal y se observó un incremento en el número de células meristemáticas.
Figure 3. Conserved Rhizobiales Root Growth Promotion Activity in Arabidopsis thaliana. Binary interaction experiments between isolates from Rhizobiales or sister lineages and germ-free A. thaliana wild-type plants (Col-0) grown on agarose media. Macroscopic plant phenotypes after co-cultivation on agarose media containing individual isolates were recorded after 3 weeks. (A) Primary root length relative to mock control for each treatment as well as an additional heat-killed bacteria control (n = 1,487). (B) Shoot fresh weight relative to mock control for each treatment and a heat-killed bacteria control (n = 247). Different shapes depict data points from seven separate full-factorial replicates. Asterisks indicate statistical significance corresponding to a Dunnett’s test with false discovery rate correction (a = 0.05). See also Figures S4 and S5 and Table S4.
Figure 4. Interference with Root Meristem Homeostasis by Rhizobium 129E. (A) Confocal micrographs in the meristematic zone (MZ) (indicated by dotted lines) of the roots of transgenic A. thaliana (Wave_131Y) expressing a plasma membrane-targeted yellow fluorescent protein inoculated with 129E or with a mock con- trol. Arrowheads indicate the place of transition from cell division to cell elongation. Bars corre- spond to 50 mm. (B) Number of cells within the MZ was recorded with primary root length at 5, 10, 14, 19, and 27 days post inoculation (n = 65). Shaded areas indicate means ±SD. Letters indicate statistical significance corresponding to Tukey’s HSD test (a = 0.05) and asterisks highlight significant difference between mock and Rhizobium 129E- treated roots within each time point. See also Figure S6 and Table S4.
Lo anterior los llevó a cuestionarse sobre los mecanismos que permitían la colonización de éstas bacterias, por lo que analizaron los transcritos producidos por plantas colonizadas por Rhizobium 129E. Los genes que se subexpresan en dicha colonización están relacionados con el sistema inmune de las plantas y resulta interesante que son los mismos que se sobreexpresan al exponer a las bacterias a proteínas flg22 derivadas de patógenos. Estas proteínas han sido caracterizadas como MAMPs (patrones moleculares asociados a microbios) que son reconocidos por el sistema inmune de la planta y que pueden activar una respuesta de la planta, que resulta en la inhibición en el crecimiento de raíz. Otros experimentos posteriores probaron que la inoculación de Rhizobium 129E ayudaban a eliminar los efectos negativos provocados por la exposición crónica a fgl22. No obstante, de los inóculos probados en los experimentos previos solamente Sphingomonadales 1497 tenía el mismo efecto. Esto sugiere que ambas especies de bacterias podrían activar características defensivas de las plantas en presencia de MAMPs.
Figure 6. Root Commensals Interfere with MAMP-Triggered Growth Outputs. (A) FLAGELLIN SENSITIVE2 (FLS2)-dependent root growth inhibition induced by chronic exposure to 1 mM flg22 for 14 days was repressed by inoculation with Rhizobium 129E (n = 302). (B) The ability to interfere with flg22-induced root growth inhibition is specific to Rhizobium 129E and Sphingomonadales 1497 (n = 1,424). Root growth promotion activity of the other Rhizobiales isolates was abolished in wild-type plants but not in the mutant lacking the flg22 receptor protein FLS2. Open (left boxplots) and closed shapes (right boxplots) within each condition indicate mock and flg22 treatment (1 mM), respectively. Letters indicate statistical significance corresponding to Tukey’s HSD test corrected for multiple comparisons (a = 0.05). Different shapes depict data points from full-factorial biological replicates. See also Figure S7 and Table S4.
Garrido-Oter, R., Nakano, R. T., Dombrowski, N., Ma, K. W., Team, T. A., McHardy, A. C., & Schulze-Lefert, P. (2018). Modular Traits of the Rhizobiales Root Microbiota and Their Evolutionary Relationship with Symbiotic Rhizobia. Cell host & microbe, 24(1), 155-167.
