Düsseldorf, Germany
March 19, 2024
Biology: Publication in Cell Host & Microbe
Two growth systems developed for the research into root microbiota. Left: CD-Rhizotron, in which the plants grow on soil and right: ArtSoil, in which plants grow on an agar matrix with properties similar to soil. - HHU/ Eliza Loo
Animals and plants form complex symbiotic communities with microorganisms, the so-called microbiome. A research team from Heinrich Heine University Düsseldorf (HHU) and the Max Planck Institute for Plant Breeding Research (MPIPZ) in Cologne has now investigated the three-dimensional microbiota structure around plant roots. In the scientific journal Cell Host & Microbe, they report that microbial community composition varies along the root and that this is influenced by the root spatial metabolism.
People are colonised by a large number of beneficial organisms. In the intestine in particular, the so-called gut microflora play an important role in human health. Such a phenomenon is also seen in plants – they also possess “microbiota”: Microorganisms that help make nutrients in the soil available and defend the plant against pathogens.
The human intestine comprises different segments and each of these segments has a specific function. Around ten years ago, molecular investigation revealed that the segments of the guts have specific stem cells and different metabolic activities. The various physiological and genetic differences in the intestine result in differential microorganism colonisation in each segment of the intestine. It is now known that the gut microbiota have a highly complex three-dimensional biogeography.
In order to investigate whether the root microbiota also display biogeographical differences, three research teams at HHU and MPIPZ conducted joint research on the model plant thale cress (Arabidopsis thaliana). The researchers took a so-called “multiomics” approach, including “transcriptomics” – the analysis of all RNA molecules in the tissue – and “metabolomics” – the study of the metabolic network – as well as other disciplines such as synthetic biology and bioinformatics.
In the current issue of Cell Host & Microbe, the biologists describe the development of two growth systems to enable them to analyse the root microbiota of Arabidopsis: CD-Rhizotrons and ArtSoil growth media. With the help of these two systems, they proved the existence of spatial organisation of the microbiota along the longitudinal axis of the root, as well as a corresponding differential accumulation of plant metabolites and metabolic activities.
Lead and corresponding author Dr Eliza Loo from the Institute for Molecular Physiology at HHU comments: “Using bioinformatic and genetic methods, we identified three so-called SWEET sugar transporters, which contribute to the distribution of sugar and other metabolites along the root. These transporters are necessary for the spatial colonisation by root bacteria.”
“We were able to decode the complex metabolic network between microbes and host – in this case the plant,” adds Dr Tin Yau Pang from the Computational Cell Biology research group at HHU.
“These findings can contribute to optimising microbial communities to improve plant protection from pathogens, leading to better plant health,” says Dr Paloma Durán from MPIPZ, the second lead author of the study.
Professor Dr Wolf Frommer, Head of the HHU Institute for Molecular Physiology and corresponding author, comments: “In order to understand the spatial colonisation of the host microbiome, a much more detailed analysis of the 3D biogeography of both the plant and the microbial species will be necessary. Our current publication lays the foundation for such work. Studies should now be expanded to crop plants such as barley.”
Originalpublikation:
Loo, E.P, Durán, P., Pang, T.Y., Westhoff, P., Deng, C., Durán, C., Lercher, M., Garrido-Oter, R., and Frommer, W.B. Sugar transporters spatially organize microbiota colonization along the longitudinal root axis of Arabidopsis. Cell Host & Microbe 32, 1-14 (2024).
DOI: 10.1016/j.chom.2024.02.014
Dreidimensionales Bild der Lebensgemeinschaften um Pflanzenwurzeln
Tiere und Pflanzen bilden komplexe Lebensgemeinschaften mit Mikroorganismen, das sogenannte Mikrobiom. Ein Forschungsteam der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) und des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung (MPIPZ) in Köln hat nun die dreidimensionale Struktur bei Pflanzenwurzeln untersucht. In der Fachzeitschrift Cell Host & Microbe berichten sie von unterschiedlichen räumlichen Zusammensetzungen, die sich auch auf den Stoffwechsel auswirken.
Zwei experimentelle Anzuchtsysteme, die für die Untersuchung der Wurzelmikrobiota entwickelt wurden. Links: CD-Rhizotron, bei dem Pflanzen auf Erde wachsen, und rechts: ArtSoil, bei dem Pflanzen auf einer Agar-Matrix mit erdähnlichen Eigenschaften gezogen werden. (Bild: HHU / Eliza Loo)
Menschen sind von einer Vielzahl gutwilliger Organismen besiedelt. Insbesondere im Darm spielt die sogenannte Darmflora eine wichtige Rolle für die menschliche Gesundheit. Bei Pflanzen ist dies nicht viel anders, auch sie besitzen eine „Mikroflora“: Mikroorganismen helfen dabei, Nährstoffe im Boden verfügbar zu machen und die Pflanze gegen Pathogene zu verteidigen.
Der menschliche Darm ist in unterschiedliche Abschnitte unterteilt, jeder dieser Bereiche hat eine spezifische Funktion. Im Tierreich wurden vor rund zehn Jahren nicht nur spezifische Stammzellen in den verschiedenen Abschnitten festgestellt, sondern auch unterschiedliche Stoffwechselaktivitäten auf der Basis von molekularen Untersuchungen. Die unterschiedlichen genetisch definierten lokalen Unterschiede im Darm führen zu differentieller Besiedlung mit Mikroorganismen. Inzwischen ist bekannt, dass die Darmflora eine hochkomplexe dreidimensionale Biogeograhie aufweist.
Um zu untersuchen, inwieweit die Wurzelmikroflora ebenfalls geographische Unterschiede aufweist, haben drei Forschungsteams der HHU und des MPIPZ dies nun gemeinsam an der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) untersucht. Die Forschenden nutzten dazu einen sogenannten „Multi-omics“-Ansatz: Hierzu zählen die „Transkriptomik“ – die Analyse aller in einer Zelle abgelesenen RNA-Moleküle – und die „Metabolomik“ – die Untersuchung des Stoffwechselnetzwerks – sowie weitere Bereiche wie die Synthetische Biologie und die Bioinformatik.
In der aktuellen Ausgabe von Cell Host & Microbe beschreiben die Biologen, dass sie hierzu zwei experimentelle Anzuchtsysteme entwickelt haben, mit denen sie die Wurzelmikrobiota von Arabidopsis analysieren können: CD-Hüllen-Rhizotrone und ArtSoil-Wachstumsmedien. Mit Hilfe dieser beiden Systeme wiesen sie eine räumliche Differenzierung der Mikroflora entlang der Längsachse der Wurzel organisierter Mikrobiota nach, eine entsprechende Differenzierung pflanzlicher Metabolite und der Stoffwechselaktivitäten.
Hauptautorin Dr. Eliza Loo vom Institut für Molekulare Physiologie der HHU: „Mithilfe von bioinformatischen und genetischen Methoden identifizierten wir drei sogenannte SWEET-Zuckertransporter, die zur Verteilung von Zucker und anderen Stoffwechselprodukten entlang der Wurzel beitragen. Diese Transportmoleküle sind für die räumliche Besiedlung durch Wurzelbakterien erforderlich.“
„Wir konnten das komplexe Netzwerk zwischen Mikroben und Wirt, in diesem Fall also der Pflanze, im Hinblick auf den Stoffwechsel entschlüsseln“, ergänzt Dr. Tin Yau Pang von der Arbeitsgruppe für Computational Cell Biology der HHU.
„Die Erkenntnisse können dazu beitragen, die mikrobiellen Gemeinschaften zu optimieren und damit einen verbesserten Schutz der Pflanzen vor Krankheitserregern und so eine bessere Pflanzengesundheit zu erreichen", sagt Dr. Paloma Durán vom MPIPZ, die zweite Hauptautorin der Studie.
Prof. Dr. Wolf Frommer, Leiter des HHU-Instituts für Molekulare Physiologie und Korrespondenzautor, kommentiert: „Um die räumliche Besiedlung des Wirts-Mikrobioms zu verstehen, wird noch eine wesentlich detaillierte Analyse der 3D-Biogeographie sowohl der Pflanze als auch der mikrobiellen Spezies notwendig sein. Unsere nun veröffentlichte Publikation legt die Basis für derartige Arbeiten. Die Studien sollen nun auf Kulturpflanzen wie Gerste ausgeweitet werden."
Originalpublikation
Loo, E.P, Durán, P., Pang, T.Y., Westhoff, P., Deng, C., Durán, C., Lercher, M., Garrido-Oter, R., and Frommer, W.B. Sugar transporters spatially organize microbiota colonization along the longitudinal root axis of Arabidopsis. Cell Host & Microbe 32, 1-14 (2024).
DOI: 10.1016/j.chom.2024.02.014
Topics
Species
