MikroNet: von Mikrobiomen zu mikrobiellen Netzwerke
Bodenwissenschaften
Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
Ökologie der Landnutzung
Organismische Interaktionen, chemische Ökologie und Mikrobiome pflanzlicher Systeme
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die phänotypischen Merkmale von Pflanzen wurden durch die Domestizierung genetisch verbessert. Ob sich die Domestizierung von Pflanzen und die genetische Verbesserung auf die mikrobielle Ökologie der Rhizosphäre ausgewirkt haben, ist jedoch nicht vollständig geklärt. Um diese Wissenslücke zu schließen, untersuchten wir die Struktur, die Diversität, das gemeinsame Vorkommen und die gemeinsame Entwicklung von Samen, Wurzelendophyten und dem Mikrobiom der Rhizosphäre von verschiedenen wilden und domestizierten Weizen- und Gerstensorten. In der ersten Phase der Studie wurden mit Hilfe von Next-Generation-Sequenzierungstechniken die Auswirkungen der Domestizierung auf die Samenendophyten von wilden und domestizierten Weizen- und Gerstenarten untersucht. Die Untersuchungen zeigten, dass das Mikrobiom der Samen infolge der Domestizierung von Getreide vielfältiger wurde. Im Gegensatz dazu wurden bei wilden Arten mehr Mikroben-Mikroben-Interaktionen beobachtet. Eine starke phylogenetische Übereinstimmung zwischen Samenendophyten und Wirtspflanzen wurde durch koevolutionäre Analysen entdeckt. Darüber hinaus veränderte die Domestizierung auch die Zusammensetzung des Mikrobioms; so wurde beispielsweise festgestellt, dass die mit dem Menschen assoziierte Bakteriengattung Cutibacterium in kultiviertem Getreide stärker vertreten ist als in Wildgetreide, wo Pseudomonas aus der Umwelt überwiegt. Nach der Untersuchung des Saatgutmikrobioms wurde ein Feldexperiment auf drei verschiedenen Versuchsfeldern durchgeführt, um die Auswirkungen der Pflanzendomestikation auf die mikrobielle Abundanz, Diversität, das mikrobielle Netzwerk und den Aufbau des Endorhiza- und Rhizosphärenmikrobioms von zwei wilden Weizenarten (diploider Aegilops tauschii und tetraploider T. dicoccoides) und zwei modernen Getreidearten (hexaploider Triticum aestivum und tetraploider T. durum) zu bewerten. Die Mikrobiome wurden durch Hochdurchsatz-Sequenzierung des bakteriellen 16S rRNA-Gens und des pilzlichen ITS2 analysiert. Als erstes wurde die Auswirkung von Domestikation und Standort auf die Übertragung von Mikroben aus dem Saatgut in die Endorhiza und Rhizosphäre untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass das Mikrobiom in der Endorhiza und Rhizosphäre des diploiden A. tauschii im Vergleich zu anderen tetraploiden und hexaploiden Weizenarten an den verschiedenen Standorten größer und vielfältiger ist. Zweitens untersuchten wir die Struktur des Mikrobioms in der Rhizosphäre und Endosphäre, die Häufigkeit und das gemeinsame Vorkommen von Mikroorganismen in wilden und modernen Weizensorten. Wir fanden starke Auswirkungen des Standorts und des Pflanzengenotyps auf die mikrobielle Besiedlung der Rhizosphäre, indem wir den Test auf differentielle Abundanz verwendeten. Die Analyse des gemeinsamen Vorkommens zeigte, dass die Rhizosphäre moderner Arten im Vergleich zu ihren Vorfahren weniger mit anderen Organismen verbunden ist. Zusammenfassend konnten wir anhand der erzielten Ergebnisse zeigen, dass die Domestizierung von Getreide ihr samen-, wurzel- und rhizosphärenassoziiertes Mikrobiom in Bezug auf Struktur, Diversität, Besiedlungsmuster und kulturenübergreifende mikrobielle Interaktionen beeinflusst hat. Dieses Projekt lieferte wichtige Erkenntnisse über die Koevolution von Mikroben und Wirten während der Domestizierung von Nutzpflanzen und beleuchtete die Ökologie des pflanzlichen Holobionten aus einer evolutionären Perspektive.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2021) Domestication affects the composition, diversity, and co-occurrence of the cereal seed microbiota. Journal of Advanced Research 31: 75-86
Abdullaeva Y., Ambika Manirajan B., Honermeier B., Schnell S. and Cardinale M.
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(2022) Domestication impacts the wheat-associated microbiota and the rhizosphere colonization by seed- and soil-originated microbiomes, across different fields. Frontiers in Plant Science 12: 3213
Abdullaeva Y., Ratering S., Ambika Manirajan B., Rosado-Porto D., Schnell S. and Cardinale M.
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2022 Domestication of cereals affected seed and rhizosphere microbiota - microbial composition and diversity analysis of modern and ancient wheat and barley varieties grown at different locations. Dissertation an der JLU Gießen
Abdullaeva Y.
