Elucidating the genetic basis and environmental regulation of root-microbe associations in maize

Abstract

Microorganisms play a critical role in promoting plant growth and performance, especially under environmental stresses. Utilization of microbiomes has been proposed as a strategy to improve food production and support sustainable agroecosystems. However, the question how the genetic framework underlying maize root development influences its microbiome assembly across different environmental conditions and to what extent the microbiome influences host performance remains largely unknown, especially at the population level. In particular, the degree to which the host function affects the abundance and enrichment of specific microbes remains obscure. <br /> In the first part of this thesis, we characterized the root and rhizosphere microbiome composition of 129 diverse <em>Zea</em> accessions grown under control, nitrogen-, phosphorus- and water-limited conditions. Biostatistics and co-variant analyses demonstrated that the genotype had a larger impact on the rhizosphere than root microbiome under abiotic stresses. Genomic and environmental prediction models indicated that environmental factors of the native region where the maize genotypes are originally from improved the prediction accuracy of specific microbiome abundances under phytochamber conditions. The allelic variation of one of significant SNPs S4_10445603 identified by environmental genome-wide association analyses was linked to both the predicted abundance of the keystone bacteria <em>Massilia</em> and the availability of total soil nitrogen in their source environments where the maize landrace germplasm was collected. Moreover, we identified a novel gene (Zm00001d048945) encoding microtubule organization processes near the SNP S4_10445603 and validated it with independent Mu-transposon insertion mutants with lateral root defects. Furthermore, root inoculation experiments using specific bacterial isolates demonstrated that <em>Massilia</em> alone contributed to lateral root development, and shoot biomass promotion under low nitrogen conditions. <br /> In the second part of this thesis, to better understand whether gene expression is associated with enrichment of specific microbes underlying lateral root development, we characterized host transcriptome and bacterial community composition across different root compartments using a diverse panel of root type mutants (e.g. lateral root and root hair mutants) in maize. Integrated transcriptomic and microbial data analyses demonstrated that mutations affecting lateral root development had the largest effect on host gene expression and microbiome assembly, as compared to mutations affecting other root types. Further network association analyses demonstrated that the keystone bacteria <em>Massilia</em> in lateral roots are associated with root functional genes involved in flowering and overall plant biomass production. Taking advantage of microbial inoculation experiments using a maize early flowering mutant, we confirmed that <em>Massilia</em>-driven maize growth promotion indeed depends on flowering time. <br /> In conclusion, specifically selected microbes by host genotype and environmental factors can establish beneficial interactions with their host plants. These beneficial microbes altered root architecture at early stages and later stages of development e.g. flowering time to promote plant growth and performance especially when facing nitrogen deficient stresses. These coherent findings provide strong genetic linkage and breeding potential to improve plant performance and resilience in future low-input agroecosystems.

Mikroorganismen spielen eine entscheidende Rolle bei der Förderung des Pflanzenwachstums und der Pflanzenleistung, insbesondere unter biotischem und abiotischem Stress. Es wurde gezeigt, dass bestimmte wurzelassoziierte Mikroorganismen die Entwicklung des Wurzelsystems beeinflussen, die Nährstoffhomöostase der Pflanze regulieren und den Wirt vor biotischem und abiotischen Stress schützen. Die Verwendung von Mikrobiomen gilt als Strategie zur Verbesserung der Lebensmittelproduktion und zur Unterstützung nachhaltiger Agrarökosysteme. Allerdings ist die Frage, wie der genetische Rahmen, der der Maiswurzelentwicklung zugrunde liegt, den Aufbau des Mikrobioms unter verschiedenen Umweltbedingungen beeinflusst und inwieweit das Mikrobiom die Leistung des Wirts beeinflusst, noch weitgehend unbekannt, insbesondere auf Populationsebene.Vor allem ist unklar, inwieweit der Wirt die Häufigkeit und Anreicherung bestimmter Mikroorganismen beeinflussen kann. Ein besseres Verständnis der genetischen Grundlagen und der Umweltregulierung der Wechselwirkungen zwischen Wirt und Mikroorganismen kann künftig die Leistung und Widerstandsfähigkeit von Nutzpflanzen im Kontext des Klimawandels fördern.<br /> Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die Zusammensetzung des Wurzel- und Rhizosphären-Mikrobioms von 129 verschiedenen Maislinien (Teosinte, Landrassen, Inzuchtlinien und Hybriden) charakterisiert, die unter kontrollierten, Stickstoff- und Phosphormangel sowie unter wasserlimitierten Bedingungen angezogen wurden. Biostatistik- und Kovariantenanalysen zeigten, dass der Mais Genotyp unter abiotischem Stress einen größeren Einfluss auf die Rhizosphäre hat als das Wurzelmikrobiom. Genom- und Umweltvorhersagemodelle zeigten, dass Umweltfaktoren der Region, aus der die Maisgenotypen ursprünglich stammen, die Vorhersagegenauigkeit der spezifischen Mikrobiomhäufigkeit unter kontrollierten Bedingungen verbesserten. Die durch umweltbezogene genomweite Assoziationsanalyse identifizierte allelische Variation des Top-SNP steht in Zusammenhang sowohl mit der vorhergesagten Häufigkeit des Schlüsselbakteriums <em>Massilia</em>, als auch mit der Verfügbarkeit des Gesamtstickstoffs im Boden in der Ursprungsumgebung des gesammelten Keimplasmas von Mais-Landrassen. Darüber hinaus haben wir ein neues Gen (Zm00001d048945) identifiziert, das für Prozesse der Mikrotubuli-Organisation in der Nähe des SNP S4_10445603 kodiert, und es mit unabhängigen Mu-Transposon-Insertionsmutanten mit Seitenwurzeldefekten validiert, was einen kausalen Zusammenhang zwischen Seitenwurzelentwicklung und Anreicherung von <em>Massilia</em> in zwei unabhängigen Experimenten mit stickstoffarmen Böden widerspiegelt. Darüber hinaus zeigten Inokulierungsversuche von Wurzeln mit spezifischen Bakterienisolaten, dass allein <em>Massilia</em> zur Lateralwurzelentwicklung und zur Förderung der Sprossbiomasse unter Bedingungen mit niedrigem Stickstoffgehalt beitrug.<br /> Um besser zu verstehen, ob die Genexpression mit der Anreicherung spezifischer Mikroben, die der Seitenwurzelentwicklung zugrunde liegen, zusammenhängt, haben wir im zweiten Teil dieser Arbeit das Wirts-Transkriptom und die Zusammensetzung der bakteriellen Gemeinschaft in verschiedenen Wurzelkompartimenten unter Verwendung einer Reihe von Wurzeltyp-Mutanten (z. B. Seitenwurzel- und Wurzelhaarmutanten) in Mais charakterisiert. Integrierte transkriptomische und mikrobielle Datenanalysen zeigten, dass Mutationen, die die Lateralwurzelentwicklung beeinflussen, im Vergleich zu Mutationen, die andere Wurzeltypen betreffen, den größten Einfluss auf die Genexpression und den Aufbau des Mikrobioms des Wirtes hatten. Weitere Netzwerkassoziationsanalysen ergaben, dass die Schlüsselbakterien <em>Massilia</em> in Lateralwurzeln mit Wurzelfunktionsgenen assoziiert sind, die an der Blütenentwicklung und der Produktion Pflanzenbiomasse beteiligt sind. Es konnte gezeigt werden, dass die Interaktionen von <em>Massilia</em> mit Genen, die eine Rolle in der Reproduktion spielen, durch das Entwicklungsstadium bestimmt werden. Durch mikrobielle Inokulationsexperimente einer frühblühenden Maismutante konnte bestätigt werden, dass die <em>Massilia</em>-gesteuerte Förderung des Maiswachstums tatsächlich von der Blütezeit abhängt.<br /> Zusammenfassend lässt sich sagen, dass speziell nach Wirtsgenotyp und Umweltfaktoren selektierte Mikroorganismen vorteilhafte Wechselwirkungen mit ihren Wirtspflanzen aufbauen können. Diese nützlichen Mikroorganismen veränderten die Wurzelarchitektur im frühen Stadium und die Blütenentwicklung im späteren Stadium, um das Pflanzenwachstum und die Leistung zu fördern, insbesondere bei Stress durch Stickstoffmangel. Diese kohärenten Ergebnisse zeigen eine starke genetische Verknüpfung und ein Züchtungspotenzial zur Verbesserung der Pflanzenleistung und Widerstandsfähigkeit in zukünftigen Agrarökosystemen mit geringem Input.