Responses of the root-associated microbiota to pathogen infection and pest management strategies

Abstract

The microbes living in and in close proximity to plant roots are subject to host-driven selection and can confer substantial benefits to the plant such as growth promotion and stress tolerance. Studying this root-associated microbiota and the factors shaping its composition holds substantial potential to improve plant health and crop yield, thereby contributing to sustainable agriculture. At the same time, population growth and climate change necessitate increasing agricultural output while minimizing environmental impacts. Pathogen infections threaten yields, raising the need for frequent applications of plant health protecting products to minimize their impact. Yet, little is known about the impact of both infections and plant health protecting product applications on the root-associated microbiota. Even when these perturbations occur only above ground, they may alter plant metabolism and root exudation, leading to downstream effects on the below ground microbiota. Clarifying such plant-mediated effects will improve our understanding of the factors influencing the root-associated microbiota and could ultimately help support plant health. <br/> Accordingly, I addressed four questions: (i) whether the root-associated microbiota of apple exhibits intrinsic spatial and temporal variation related to root phenology and seasonality; (ii) how foliar fungal infection of apple saplings alters the root-associated microbiota; (iii) how above ground applications of plant health protecting products with different modes of action affect the root-associated microbiota in two crop systems; and (iv) how the combined pathogen infection and product application influence the root-associated microbiota. I used greenhouse and field experiments and profiled the bacterial root-associated microbiota by next-generation sequencing of 16S rRNA gene amplicons. <br/> The root-associated microbiota showed spatial variation on various scales. On a smaller scale, the rhizosphere effect was observed with distinct community compositions in the rhizosphere and endosphere in all trials. On larger scales, the root-associated bacterial communities of fully grown apple trees shifted along a root size gradient and along spatial distances in the field and were furthermore subject to seasonal and annual variation. Such heterogeneity should be accounted for in future microbiome studies. Foliar pathogen infections induced plant-mediated changes in the root-associated microbiota upon severe leaf infection. Community changes did not differ between the two inoculated pathogens but scaled with disease severity. Naturally occurring root infections in mature trees elicited even stronger community shifts, indicating that infections exert the strongest impact on the associated microbiota in the affected region. <br/> Above ground applications of plant protection products did not elicit consistent, treatment-specific plant-mediated responses in the root-associated microbiota. Only systemic products induced mild, transient effects that were no longer detectable two weeks after the final application. Nevertheless, product applications often increased within-treatment variability in community compositions, consistent with the "Anna Karenina principle" (AKP). Under this principle, changes in the root-associated microbiota by a perturbation can be deterministically, but the extent of the alteration is stochastic depending on the severity of the stressor. In this context, foliar pathogen infection represented a more severe perturbation than product application. Moreover, a curative product application even mitigated pathogen-induced stress and helped reestablish the plant’s preferred bacterial community in both the rhizosphere and endosphere. No differences in plant morphological and physiological characteristics were observed, suggesting that product application and mild AKP effects had no negative impacts on plant health. Thus, besides their direct protective and curative properties, the responsible use of plant health protecting products may support microbiome management and therefore potentially contribute to sustainable agriculture.

Die Mikroben, die in und direkt um Pflanzenwurzeln herum leben, unterliegen einer wirtsgesteuerten Selektion, die der Pflanze erhebliche Vorteile wie Wachstumsförderung und Stressresistenz bieten kann. Die Untersuchung dieser wurzelassoziierten Mikrobiota und der Faktoren, die ihre Zusammensetzung beeinflussen, birgt großes Potenzial zur Verbesserung der Pflanzengesundheit und ihres Ertrags. Gleichzeitig erfordert eine wachsenden Weltbevölkerung und der Klimawandel eine Steigerung der landwirtschaftlichen Produktion bei gleichzeitiger Minimierung ihrer Umweltauswirkungen. Pathogeninfektionen gefährden Erträge, wodurch regelmäßige Pflanzenschutzmittelanwendungen nötig sind. Dennoch ist wenig über die Auswirkungen sowohl von Infektionen als auch von Pflanzenschutzmittelanwendungen auf die wurzelassoziierte Mikrobiota bekannt. Selbst wenn diese Störungen nur oberirdisch auftreten, können sie den Pflanzenstoffwechsel und die Wurzelausscheidung verändern und zu nachgelagerten Effekten auf die unterirdische Mikrobiota führen. Die Analyse dieser pflanzenvermittelten Effekte wird unser Verständnis der Faktoren verbessern, die die wurzelassoziierte Mikrobiota beeinflussen, und könnte letztlich zu einer Verbesserung der Pflanzengesundheit führen. <br/> Deshalb habe ich in dieser Dissertation vier Fragen untersucht: (i) ob die wurzelassoziierte Mikrobiota des Apfels eine intrinsische räumliche und zeitliche Variation in Bezug auf Wurzelphänologie und Saisonalität aufweist; (ii) wie sich Blattpilzinfektionen auf die wurzelassoziierte Mikrobiota von Apfeljungpflanzen auswirkt; (iii) wie oberirdische Pflanzenschutzmittelanwendungen mit unterschiedlichen Wirkmechanismen die wurzelassoziierte Mikrobiota in zwei Anbausystemen beeinflussen; und (iv) wie die Kombination von Pathogeninfektion und Produktanwendung die wurzelassoziierte Mikrobiota beeinflussen. Ich habe Gewächshaus- und Feldexperimente durchgeführt und die bakterielle wurzelassoziierte Mikrobiota durch Next-Generation-Sequenzierung von 16S rRNA-Genamplikons analysiert. <br/> Die wurzelassoziierte Mikrobiota wies räumliche Variation auf verschiedenen Skalen auf. Auf der kleinsten Skala wurde der Rhizosphäreneffekt mit individuellen Gemeinschaften in Rhizosphäre und Endosphäre in allen Versuchen beobachtet. In größerem Maßstab verschoben sich die wurzelassoziierten Gemeinschaften von ausgewachsenen Apfelbäumen entlang eines Wurzelgrößengradienten und entlang räumlicher Distanzen im Feld und unterlagen zudem saisonaler und jährlicher Variation. Diese Heterogenität sollte in zukünftigen Mikrobiomstudien berücksichtigt werden. Schwere Blattpilzinfektionen induzierten pflanzenvermittelte Veränderungen in der wurzelassoziierten Mikrobiota. Die Unterschiede in der Gemeinschaftszusammensetzung hingen dabei nicht vom Pathogen ab, sondern korrelierte mit Krankheitsintensität. Natürlich vorkommende Wurzelinfektionen in Apfelbäumen führten zu noch stärkeren Gemeinschaftsveränderungen, was darauf hinweist, dass Infektionen den stärksten Einfluss auf die assoziierte Mikrobiota in der betroffenen Region ausüben. <br/> Oberirdische Pflanzenschutzmittelanwendungen führten nicht zu konsistenten, behandlungsspezifischen pflanzenvermittelten Reaktionen in der wurzelassoziierten Mikrobiota. Lediglich systemische Produkte induzierten milde, vorübergehende Effekte, die zwei Wochen nach der letzten Anwendung nicht mehr nachweisbar waren. Dennoch erhöhten Produktanwendungen häufig die Variabilität der Gemeinschaftszusammensetzungen innerhalb einer Behandlung, was mit dem "Anna-Karenina-Prinzip" (AKP) übereinstimmt. Nach diesem Prinzip können Veränderungen in der wurzelassoziierten Mikrobiota durch eine Störung deterministisch sein, aber das Ausmaß der Veränderung ist stochastisch und hängt von der Intensität des Stressors ab. In diesem Kontext stellte die Blattpathogeninfektion eine schwerere Störung dar als die Produktanwendung. Darüber hinaus hat eine kurative Produktanwendung sogar den von Pathogenen induzierten Stress reduziert und half, die bevorzugte bakterielle Gemeinschaft der Pflanze sowohl in Rhizosphäre als auch in Endosphäre wiederherzustellen. Es wurden keine Unterschiede in den morphologischen und physiologischen Eigenschaften der Pflanze beobachtet, was darauf hindeutet, dass Produktanwendungen und milde AKP-Effekte keine negativen Auswirkungen auf die Pflanzengesundheit hatten. Somit könnte die verantwortungsvolle Verwendung von Pflanzenschutzmitteln neben ihren direkten protektiven und kurativen Eigenschaften das Mikrobiomanagement unterstützen und somit potenziell zu einer nachhaltigen Landwirtschaft beitragen.