Title (eng)
Studies on poplar-endophyte-interactions with plant-growth-promotin effects
Parallel title (deu)
Untersuchungen der Pappel-Endophyten-Interaktion mit Pflanzenwachstumsfördernden Effekten
Author
Anne Mette Hanak
Advisor
Wolfram Weckwerth
Assessor
Angela Sessitsch
Markus Teige
Abstract (deu)
Derzeit ist die Pappel eine der wichtigsten Energiepflanzen und einer der meist untersuchten Modelorganismen im Bereich der Dendrologie. Ferner wird die Pappel für Untersuchungen bezüglich Wirt-Endophyten-Interaktionen verwendet, um die Mechanismen der Pflanzenwachstumsförderung durch Bakterien zu verstehen. Endophytische Bakterien besiedeln das interne Gewebe der Wirtspflanze und können in Leguminosen Wurzelknöllchen bilden. Endophyten wurden bisher sowohl in freiwachsenden Pflanzen als auch in in-vitro Kulturen entdeckt, ohne Anzeichen einer Infektion oder Kontamination. Die Funktionen und Effekte von Endophyten in ihrer Wirtspflanze sind vielfältig und schließen wachstumsfördernde Prozesse, Möglichkeiten der Pathogenabwehr und erhöhte Stressresistenz mit ein.
In dieser Arbeit wurde der Mechanismus einer hoch-spezifischen wachstumsfördernden Pappel-Endophyten-Interaktion anhand eines erst kürzlich aus in-vitro Pappelpflanzen isolierten Endophyten, Paenibacillus sp. P22, untersucht. Paenibacillus sp. P22 ist ein gram-positiv, fakultativ anaerobes Endosporen -bildendes Bakterium, das aus der Pappel Hybride 741 (♀[Populus alba x (P. davidiana + P. simonii) x P. tomentosa]) isoliert wurde. Die Sequenzierung des Genoms dieses Endophyten erfolgte mittels Ion Torrent® und 454® Sequenzierungstechnologie. Die bisherige Annotation des Genoms von Paenibacillus sp. P22 umfasst ca. 5.224 codierende Gene, 65 tRNA Gene und 1 16S rRNA Gen. Aufgrund der Präsenz von allen tRNA Genen der 20 essentiellen Aminosäuren und 31 von 34 phylogenetischen Markerproteinen, kann man die Vollständigkeit des Genoms auf ca. 99% schätzen. Eine Rekonstruktion des Metabolismus von Paenibacillus sp. P22 zeigten putative Mechanismen für Pflanzenwachstumsförderung. Ein Gen konnte für die Nitrogenase [EC 1.19.6.1], welche der Stickstofffixierung dient, identifiziert werden. Dies stimmt mit zwei Untersuchungsergebnissen überein: (i) Paenibacillus sp. P22 besitzt die Fähigkeit auf stickstofffreiem Medium zu wachsen (ii) das Metabolitprofil von Pappelpflanzen, die mit diesem Endophyten inokuliert wurden, zeigten einen stark unterschiedliche C/N Gehalt, die in direkter Verbindung mit der Besiedelung der Endophyten steht. Weitere Gene der Nitratassimilation in Paenibacillus sp. P22 wurden gefunden wie z.B. die große Subeinheit der Nitrat Reduktase [NAD(P)H] [EC:1.7.1.4]. Darüber hinaus wurden Gene entdeckt, die dem Auxin-Stoffwechsel angehören, z.B die Tryptophansynthase beta Kette [EC 4.2.1.20]. Daraus lässt sich schließen, dass die Pappel-Endophyten spezifische Wachstumsförderung auch durch die Sekretion von Phytohormonen durch das Bakterium gesteuert werden kann. Interessanterweise wurde in einer Gaschromatographie-massenspektrometrischen Metabolitanalyse des Paenibacillus sp. P22 Isolats auch Auxin detektiert.
Die Pappel-Endophyten-spezifische Wachstumsförderung wurde auch in der Stecklingsvermehrung von verschiedenen schnell-wachsenden Pappelkultivaren untersucht. Im Glashaus kultivierte Stecklinge, welche durch unterschiedlichste Methoden mit Paenibacillus sp. P22 inokuliert wurden, zeigten verschiedene Ergebnisse. Die Inokulierung mit Paenibacillus sp. P22 an bereits bewurzelten Holzstecklingen zeigte in frühen Stadien ein signifikant erhöhtes Wurzelwachstum aber kein signifikant erhöhtes Stecklingswachstum. Dieser Effekt setzte erst in einer späteren Phase nach 70 Tagen Wachstum ein, bei der inokulierte Pappelstecklinge eine signifikant höhere Biomasse bzw. Längenwachstum im Vergleich zu nicht inokulierten Pappelstecklingen aufwiesen. Diese Ergebnisse sind von großer Bedeutung für die Anwendung der Pappel als Energiepflanze in Kurzumtriebkultivierungen, die von diesem schnellen Wachstum abhängig sind.
In einer weiteren Studie wurde der Einfluss der Polyploidie auf das Proteom von Pappelhybriden untersucht. Die Resultate zeigten signifikante Unterschiede, sowohl zwischen jungen und alten Blättern, als auch zwischen den einzelnen Ploidiegraden der Pappelhybride.
Abstract (eng)
Poplar is an important energy crop and currently one of the most investigated model systems for tree biology. Furthermore, poplar plants have been used as a model system for tree-endophyte-interaction studies with the purpose to understand mechanisms of bacterial plant-growth-promotion. Endophytic bacteria colonize the internal tissue of their host plants and are able to build root nodules in some legumes. They have been detected in nearly all plants studied under field conditions as well as in many tissue cultures without showing any signs of pathogen infection. The function and effects of endophytes on host plants are manifold, including plant growth promoting effects, capacity of controlling pathogens and increased stress resistance. The mechanism of poplar-endophyte-interaction was investigated by studying a recently isolated poplar-specific endophyte, Paenibacillus sp. P22.
P22 is a gram-positive facultative anaerobic endospore-forming bacterium isolated from a poplar hybrid 741 (♀[Populus alba x (P. davidiana + P. simonii) x P. tomentosa]). Application of the 454® sequencing technology resulted in 561.213 reads and 61.143.112 nucleotides. In an Ion Torrent™ PGM sequencing approach 1.978.332 reads and 343.311.791 nucleotides were gathered. Consensus assembly using MIRA (34) yielded in 5.443.257 bp in 297 contigs (< 300 bp) with an overall GC content of 58%. The genome of Paenibacillus sp. P22 contains 5.224 protein-coding genes, 65 tRNAs and 1 16S rRNA. Presence of tRNAs for all 20 proteinogenic amino acids as well as 31 out of 31 phylogenetic marker proteins, identified with the Software AMPHORA2 (238), that are essential in prokaryotes indicate an estimated completeness of the genome of about 99%.
Further investigation of the metabolic capabilities of Paenibacillus sp. P22 yielded two particularly interesting elucidations. We found a gene encoding a nitrogenase [EC:1.19.6.1] for nitrogen fixation. This coincides with the observation that Paenibacillus sp. P22 is able to grow without nitrogen in the medium (189). Furthermore the metabolite profiles of the poplar plants which were inoculated with Paenibacillus sp. P22 showed a strongly altered C/N homeostasis directly pointing to a changed nitrogen assimilation pathway as a result of the endophyte-plant interaction. Further investigation of the metabolic capabilities of Paenibacillus sp. P22 revealed putative mechanism of plant-growth promotion. First, a gene encoding a nitrogenase [EC 1.19.6.1] for nitrogen fixation was detected. This coincides with two observations: (i) Paenibacillus sp. P22 is able to grow without nitrogen in the medium and (ii) metabolite profiles of poplar plants which were inoculated with Paenibacillus sp. P22 showed a strongly altered C/N ratio directly pointing to a changed nitrogen assimilation pathway as a result of the endophyte-plant interaction. Further genes of nitrate assimilation in Paenibacillus sp. P22 were found, e.g. a nitrate reductase [NAD(P)H] large subunit [EC:1.7.1.4]. Furthermore, we were able to detect genes of the auxin-pathway, e.g. the tryptophan synthase beta chain [EC:4.2.1.20] suggesting growth-promoting effects by hormone secretion. Accordingly, the phytohormone auxin was detected in a gas chromatography-mass spectrometric analysis of metabolite profiles of the Paenibacillus sp. P22 isolate.
The poplar-endophyte-growth promoting effects were further investigated using poplar cuttings. In farming poplar is used as an energy crop in short-rotation culture using shoot cutting propagation. An inoculation experiment with shoot cuttings of different fast-growing poplar cultivars was conducted. Poplar cuttings grown under different conditions in the greenhouse showed that an inoculation with Paenibacillus sp. P22 after rooting led to higher biomass than those inoculated before rooting. More importantly, by inoculation with Paenibacillus sp. P22 root growth was stimulated in the early phases and shoot growth and length was significantly higher in the later stages (70 days). This is especially important for poplar as an energy crop in short-rotation plantation culture dependent on rapid growth of the cuttings.
Further, the impact of polyploidie on the proteome of poplar hybrids was investigated. The results showed significant changes between young and old leaves as well as among the ploidy levels themselves.
Keywords (eng)
endophytespoplarinteraction growth promoting effects
Keywords (deu)
EndophytenPappelInteraktionPflanzenwachstumsfördernde Effekte
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1308367
rdau:P60550 (deu)
192 S. : Ill., graph. Darst.
Number of pages
192
Association (deu)
Title (eng)
Studies on poplar-endophyte-interactions with plant-growth-promotin effects
Parallel title (deu)
Untersuchungen der Pappel-Endophyten-Interaktion mit Pflanzenwachstumsfördernden Effekten
Author
Anne Mette Hanak
Abstract (deu)
Derzeit ist die Pappel eine der wichtigsten Energiepflanzen und einer der meist untersuchten Modelorganismen im Bereich der Dendrologie. Ferner wird die Pappel für Untersuchungen bezüglich Wirt-Endophyten-Interaktionen verwendet, um die Mechanismen der Pflanzenwachstumsförderung durch Bakterien zu verstehen. Endophytische Bakterien besiedeln das interne Gewebe der Wirtspflanze und können in Leguminosen Wurzelknöllchen bilden. Endophyten wurden bisher sowohl in freiwachsenden Pflanzen als auch in in-vitro Kulturen entdeckt, ohne Anzeichen einer Infektion oder Kontamination. Die Funktionen und Effekte von Endophyten in ihrer Wirtspflanze sind vielfältig und schließen wachstumsfördernde Prozesse, Möglichkeiten der Pathogenabwehr und erhöhte Stressresistenz mit ein.
In dieser Arbeit wurde der Mechanismus einer hoch-spezifischen wachstumsfördernden Pappel-Endophyten-Interaktion anhand eines erst kürzlich aus in-vitro Pappelpflanzen isolierten Endophyten, Paenibacillus sp. P22, untersucht. Paenibacillus sp. P22 ist ein gram-positiv, fakultativ anaerobes Endosporen -bildendes Bakterium, das aus der Pappel Hybride 741 (♀[Populus alba x (P. davidiana + P. simonii) x P. tomentosa]) isoliert wurde. Die Sequenzierung des Genoms dieses Endophyten erfolgte mittels Ion Torrent® und 454® Sequenzierungstechnologie. Die bisherige Annotation des Genoms von Paenibacillus sp. P22 umfasst ca. 5.224 codierende Gene, 65 tRNA Gene und 1 16S rRNA Gen. Aufgrund der Präsenz von allen tRNA Genen der 20 essentiellen Aminosäuren und 31 von 34 phylogenetischen Markerproteinen, kann man die Vollständigkeit des Genoms auf ca. 99% schätzen. Eine Rekonstruktion des Metabolismus von Paenibacillus sp. P22 zeigten putative Mechanismen für Pflanzenwachstumsförderung. Ein Gen konnte für die Nitrogenase [EC 1.19.6.1], welche der Stickstofffixierung dient, identifiziert werden. Dies stimmt mit zwei Untersuchungsergebnissen überein: (i) Paenibacillus sp. P22 besitzt die Fähigkeit auf stickstofffreiem Medium zu wachsen (ii) das Metabolitprofil von Pappelpflanzen, die mit diesem Endophyten inokuliert wurden, zeigten einen stark unterschiedliche C/N Gehalt, die in direkter Verbindung mit der Besiedelung der Endophyten steht. Weitere Gene der Nitratassimilation in Paenibacillus sp. P22 wurden gefunden wie z.B. die große Subeinheit der Nitrat Reduktase [NAD(P)H] [EC:1.7.1.4]. Darüber hinaus wurden Gene entdeckt, die dem Auxin-Stoffwechsel angehören, z.B die Tryptophansynthase beta Kette [EC 4.2.1.20]. Daraus lässt sich schließen, dass die Pappel-Endophyten spezifische Wachstumsförderung auch durch die Sekretion von Phytohormonen durch das Bakterium gesteuert werden kann. Interessanterweise wurde in einer Gaschromatographie-massenspektrometrischen Metabolitanalyse des Paenibacillus sp. P22 Isolats auch Auxin detektiert.
Die Pappel-Endophyten-spezifische Wachstumsförderung wurde auch in der Stecklingsvermehrung von verschiedenen schnell-wachsenden Pappelkultivaren untersucht. Im Glashaus kultivierte Stecklinge, welche durch unterschiedlichste Methoden mit Paenibacillus sp. P22 inokuliert wurden, zeigten verschiedene Ergebnisse. Die Inokulierung mit Paenibacillus sp. P22 an bereits bewurzelten Holzstecklingen zeigte in frühen Stadien ein signifikant erhöhtes Wurzelwachstum aber kein signifikant erhöhtes Stecklingswachstum. Dieser Effekt setzte erst in einer späteren Phase nach 70 Tagen Wachstum ein, bei der inokulierte Pappelstecklinge eine signifikant höhere Biomasse bzw. Längenwachstum im Vergleich zu nicht inokulierten Pappelstecklingen aufwiesen. Diese Ergebnisse sind von großer Bedeutung für die Anwendung der Pappel als Energiepflanze in Kurzumtriebkultivierungen, die von diesem schnellen Wachstum abhängig sind.
In einer weiteren Studie wurde der Einfluss der Polyploidie auf das Proteom von Pappelhybriden untersucht. Die Resultate zeigten signifikante Unterschiede, sowohl zwischen jungen und alten Blättern, als auch zwischen den einzelnen Ploidiegraden der Pappelhybride.
Abstract (eng)
Poplar is an important energy crop and currently one of the most investigated model systems for tree biology. Furthermore, poplar plants have been used as a model system for tree-endophyte-interaction studies with the purpose to understand mechanisms of bacterial plant-growth-promotion. Endophytic bacteria colonize the internal tissue of their host plants and are able to build root nodules in some legumes. They have been detected in nearly all plants studied under field conditions as well as in many tissue cultures without showing any signs of pathogen infection. The function and effects of endophytes on host plants are manifold, including plant growth promoting effects, capacity of controlling pathogens and increased stress resistance. The mechanism of poplar-endophyte-interaction was investigated by studying a recently isolated poplar-specific endophyte, Paenibacillus sp. P22.
P22 is a gram-positive facultative anaerobic endospore-forming bacterium isolated from a poplar hybrid 741 (♀[Populus alba x (P. davidiana + P. simonii) x P. tomentosa]). Application of the 454® sequencing technology resulted in 561.213 reads and 61.143.112 nucleotides. In an Ion Torrent™ PGM sequencing approach 1.978.332 reads and 343.311.791 nucleotides were gathered. Consensus assembly using MIRA (34) yielded in 5.443.257 bp in 297 contigs (< 300 bp) with an overall GC content of 58%. The genome of Paenibacillus sp. P22 contains 5.224 protein-coding genes, 65 tRNAs and 1 16S rRNA. Presence of tRNAs for all 20 proteinogenic amino acids as well as 31 out of 31 phylogenetic marker proteins, identified with the Software AMPHORA2 (238), that are essential in prokaryotes indicate an estimated completeness of the genome of about 99%.
Further investigation of the metabolic capabilities of Paenibacillus sp. P22 yielded two particularly interesting elucidations. We found a gene encoding a nitrogenase [EC:1.19.6.1] for nitrogen fixation. This coincides with the observation that Paenibacillus sp. P22 is able to grow without nitrogen in the medium (189). Furthermore the metabolite profiles of the poplar plants which were inoculated with Paenibacillus sp. P22 showed a strongly altered C/N homeostasis directly pointing to a changed nitrogen assimilation pathway as a result of the endophyte-plant interaction. Further investigation of the metabolic capabilities of Paenibacillus sp. P22 revealed putative mechanism of plant-growth promotion. First, a gene encoding a nitrogenase [EC 1.19.6.1] for nitrogen fixation was detected. This coincides with two observations: (i) Paenibacillus sp. P22 is able to grow without nitrogen in the medium and (ii) metabolite profiles of poplar plants which were inoculated with Paenibacillus sp. P22 showed a strongly altered C/N ratio directly pointing to a changed nitrogen assimilation pathway as a result of the endophyte-plant interaction. Further genes of nitrate assimilation in Paenibacillus sp. P22 were found, e.g. a nitrate reductase [NAD(P)H] large subunit [EC:1.7.1.4]. Furthermore, we were able to detect genes of the auxin-pathway, e.g. the tryptophan synthase beta chain [EC:4.2.1.20] suggesting growth-promoting effects by hormone secretion. Accordingly, the phytohormone auxin was detected in a gas chromatography-mass spectrometric analysis of metabolite profiles of the Paenibacillus sp. P22 isolate.
The poplar-endophyte-growth promoting effects were further investigated using poplar cuttings. In farming poplar is used as an energy crop in short-rotation culture using shoot cutting propagation. An inoculation experiment with shoot cuttings of different fast-growing poplar cultivars was conducted. Poplar cuttings grown under different conditions in the greenhouse showed that an inoculation with Paenibacillus sp. P22 after rooting led to higher biomass than those inoculated before rooting. More importantly, by inoculation with Paenibacillus sp. P22 root growth was stimulated in the early phases and shoot growth and length was significantly higher in the later stages (70 days). This is especially important for poplar as an energy crop in short-rotation plantation culture dependent on rapid growth of the cuttings.
Further, the impact of polyploidie on the proteome of poplar hybrids was investigated. The results showed significant changes between young and old leaves as well as among the ploidy levels themselves.
Keywords (eng)
endophytespoplarinteraction growth promoting effects
Keywords (deu)
EndophytenPappelInteraktionPflanzenwachstumsfördernde Effekte
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
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