Cluster Root Secretion Physiology And Plant microbe

285 Pages·2005·7.71 MB·English

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UNIVERSITY OF ZURICH (SWITZERLAND) UNIVERSITY OF NEUCHATEL (SWITZERLAND)
FACULTY OF SCIENCE FACULTY OF SCIENCE
BOTANICAL INSTITUTE BOTANICAL INSTITUTE
PLANT PHYSIOLOGY DEPARTMENT MICROBIOLOGY DEPARTMENT

How White Lupin Can Survive In Soils With
Sparingly Available Phosphate:
Cluster Root Secretion Physiology
And
Plant microbe Interactions

Thesis presented to the Faculty of Science of the University of Neuchatel
for the degree of Doctor of Science

By Laure Weisskopf

2005

Members of the Jury

Prof. E. Martinoia, director (Zurich) Prof. M. Aragno, co-director (Neuch(cid:226)tel)
Prof. L. Eberl, expert (Zurich) Prof. R. Tabacchi, expert (Neuch(cid:226)tel)

Remerciements

Si ce travail de thŁse a pu voir le jour, c(cid:146)est bien gr(cid:226)ce (cid:224) l(cid:146)aide de nombreuses personnes et
institutions, que je tiens (cid:224) remercier ici chaleureusement :

Merci tout d(cid:146)abord au p(cid:244)le de recherche national « Plant Survival » qui a financØ ce
projet et qui, par l(cid:146)Øtablissement de l(cid:146)Øcole doctorale, m(cid:146)a offert la possibilitØ de suivre de
nombreux cours dans des domaines variØs et de me perfectionner (cid:224) diffØrents niveaux
parallŁlement (cid:224) mon travail de thŁse.

Merci aussi (cid:224) toutes les personnes qui, de prŁs ou de loin, ont collaborØ (cid:224) ce projet :
Nathalie Fromin, Nicole Jeanneret, Maryline Jossi, JØr(cid:244)me Hamelin et David Roesti en
microbiologie, Claire Le Bayon en biologie du sol, Nicola Tomasi, Jana Smutny et Sonia Plaza
en physiologie vØgØtale ainsi qu(cid:146)Eliane Abou-Mansour et Raphaºl Tabacchi en chimie.

Merci (cid:224) tous les membres des laboratoires dans lesquels j(cid:146)ai eu le plaisir de travailler,
les laboratoires de Microbiologie et de Physiologie vØgØtale de l(cid:146)institut de botanique et le
groupe du Prof. Tabacchi de l(cid:146)institut de chimie (cid:224) l(cid:146)UniversitØ de Neuch(cid:226)tel ainsi que le
laboratoire de physiologie vØgØtale molØculaire de l(cid:146)institut de botanique (cid:224) l(cid:146)UniversitØ de
Z(cid:252)rich.

Merci (cid:224) Michel Aragno de m(cid:146)avoir initiØe au monde merveilleux des micro-
organismes(cid:133), de m(cid:146)avoir appris les « bases du mØtier » lors du travail de dipl(cid:244)me que j(cid:146)ai
effectuØ dans son laboratoire et d(cid:146)avoir poursuivi cet encadrement dans la prØsente thŁse en la
co-dirigeant. Je tiens (cid:224) le remercier aussi de m(cid:146)avoir occasionnellement confiØ l(cid:146)enseignement de
ses cours magistraux(cid:133) et d(cid:146)avoir acceptØ de « parrainer » mon projet de post-doc au Kenya !

Merci (cid:224) Enrico Martinoia, mon directeur de thŁse, de l(cid:146)avoir si bien dirigØe(cid:133) de
m(cid:146)avoir fait confiance et laissØe libre dŁs le dØbut de mon travail de dipl(cid:244)me jusqu(cid:146)(cid:224) la fin de
ma thŁse, d(cid:146)avoir ØtØ disponible (cid:224) chaque instant, de m(cid:146)avoir encouragØe dans les moments
difficiles et aidØe (cid:224) toutes les Øtapes du travail scientifique, de la paillasse (cid:224) la rØdaction de
publications. Merci aussi de m(cid:146)avoir donnØ (cid:224) Øtudier un sujet aussi fascinant que le lupin blanc
et d(cid:146)avoir initiØ et soutenu le projet d(cid:146)introduire cette plante au Kenya.

Merci enfin (cid:224) mes amis, visibles et invisibles, et en particulier aux trois autres As du
« CarrØ Weisskopf » (en toute modestie(cid:133)) pour leur prØcieux appui en toutes circonstances, (cid:224)
tous Øgards et (cid:224) tous les niveaux.
Table of contents

Summary 7

RØsumØ 9

Chapter I : Introduction 11

1.1. Plant nutrition under phosphorus deficiency 15
1.2. Lupinus albus: a specialist of low P soils 17
1.3. Root-induced changes in the surrounding soil: the rhizosphere
concept 24
1.4. Presentation of this work: main questions and objectives 27

Chapter II : Cluster root secretion physiology and phosphate acquisition 31

2.1. Introduction 35
2.2. The potential role of ATP-citrate lyase in organic acid metabolism 39
2.3. Phosphorus acquisition by white lupin in a one year cultivation study
in microcosms 67
2.4. Secretion of phenolics 93
2.5. Synthesis 139
2.6. Discussion - Outlook 141

Chapter III : Plant microbe interactions in the rhizosphere of Lupinus albus and
Arabidopsis thaliana 145

3.1. Introduction 149
3.2. Secretion activity of white lupin cluster roots influences bacterial
abundance, function and community structure 155
3.3. Associative nitrogen-fixing bacteria in the rhizosphere of white lupin
cluster roots 179
3.4. Bacterial communities in the rhizosphere of A. thaliana: comparison
between the transparent testa mutant tt4 and the wild-type 199
3.5. White lupin has developed a complex strategy to limit microbial
degradation of the secreted citrate required for phosphate nutrition 221
3.6. Synthesis, discussion and outlook 239

Chapter IV: Synthesis and conclusions 247

References 253
Plant nutrition under P deficiency Summary

Summary

In response to soils with low available phosphate, plants have evolved different
strategies. One of them is the formation of special root structures called proteoid
roots or cluster roots. Cluster roots are almost ubiquitous in the Australian
Proteaceae family and they are also found as exceptions in other plant species. Such
an exception is white lupin, Lupinus albus L., our model plant. This annual
leguminous plant is the sole cluster root forming species of agricultural importance.
White lupin cluster roots secrete large amounts of organic acids, mostly citrate and
malate, and concomitantly acidify the rhizosphere. Organic acid secretion and
rhizosphere acidification take place at a particular stage of cluster root
development, which is called the (cid:147)mature(cid:148) stage. In the present work, we
investigated the secretion physiology of different developmental stages of white
lupin cluster roots and their impact on the rhizosphere microflora. Isoflavonoid
contents and secretion patterns were characterized in growing cluster roots of white
lupin. Genistein and hydroxygenistein, as well as their glycosylated conjugates, were
the major isoflavonoids identified. While internal contents remained stable during
cluster root development, the amounts secreted varied in function of cluster root
stage. Highest secretion was observed at the juvenile and immature stages of cluster
roots. The secretion of isoflavonoids by white lupin seedlings was strongly modified
when elicited with the presence of bacteria or fungi and the response was strain-
specific.

The impact of the secretion activity of white lupin cluster on the rhizosphere
microbial communities was investigated as well. Our results showed that the
bacterial communities were influenced by the secretion activity of cluster roots: a
reduced abundance (cultivable and total) of bacteria, as well as a decreased richness
Weisskopf et al. 2005 PhD Thesis 7
Plant nutrition under P deficiency Summary
(DGGE profiles) characterized the mature stage of cluster roots. Approximately 50
% of the bacterial populations isolated from the mature stage were able to grow in a
low pH (4) medium, while only 20 % of the bacteria isolated from juvenile cluster
roots could do the same, suggesting that the pH decrease occurring transiently in the
rhizosphere of mature cluster roots could be the cause of the decreased abundance
of bacteria observed at this stage. In contrast, no inhibitory effect of the secreted
isoflavonoids could be evidenced in vitro on bacteria. Only fungi showed a reaction
to these compounds, namely a stimulated sporulation. PGPR (plant growth
promoting rhizobacteria) activities were also assessed in strains isolated from white
lupin cluster roots and the results suggested that auxin producing bacteria could be
involved in cluster root formation. Moreover, associative nitrogen fixation was
analyzed by fingerprinting techniques on the nifH pools amplified from DNA and
RNA samples from different cluster root stages. No amplification was observed for
mature cluster roots, while amplification from extracted DNA, and in one case also
from extracted RNA, was obtained for juvenile and senescent cluster roots. This
indicates that associate nitrogen fixation might also take place in the rhizosphere of
cluster roots, in addition to the symbiotic fixation in nodules forming on non cluster
roots.

Phosphorus is a major limiting factor for agricultural yields in many regions of the
world and white lupin may be a promising future crop in this respect, since it is able
to acquire both phosphate through cluster root formation and nitrogen through
symbiotic fixation. The better understanding of cluster root functioning and of the
potential plant microbe interactions in their rhizosphere, which has been achieved
through this work, hopefully will contribute to a successful transfer of knowledge
from model systems to real field conditions.
Weisskopf et al. 2005 PhD Thesis 8
Plant nutrition under P deficiency Summary
RØsumØ
Au cours de l(cid:146)Øvolution, les plantes ont dØveloppØ diffØrentes stratØgies pour
survivre sur les sols oø le phosphate est peu disponible. L(cid:146)une d(cid:146)entre elles est la
formation de structures racinaires particuliŁres, que l(cid:146)on appelle racines protØo(cid:239)des
ou « cluster roots ». Presque toutes les plantes de la famille australienne des
ProtØacØes dØveloppent ces racines, alors qu(cid:146)on les observe seulement (cid:224) titre
d(cid:146)exception chez les autres espŁces. Le lupin blanc, Lupinus albus L., notre plante
modŁle, est une telle exception. Cette lØgumineuse annuelle est la seule espŁce
d(cid:146)importance agronomique qui forme des racines protØo(cid:239)des. Les racines protØo(cid:239)des
du lupin blanc sØcrŁtent de grandes quantitØs d(cid:146)acides organiques, surtout du
citrate et du malate, et provoquent simultanØment une acidification de la
rhizosphŁre. Cette sØcrØtion et acidification se dØroulent (cid:224) un stade bien particulier
du dØveloppement des racines protØo(cid:239)des, le stade « mature ». Dans le travail qui
suit, nous avons ØtudiØ la sØcrØtion racinaire (cid:224) diffØrents stades de dØveloppement
des racines protØo(cid:239)des du lupin blanc ainsi que l(cid:146)influence de cette sØcrØtion
racinaire sur la microflore rhizosphØrique. Nous avons caractØrisØ les isoflavono(cid:239)des
produits et excrØtØs dans les racines protØo(cid:239)des en croissance. Les isoflavono(cid:239)des les
plus importants Øtaient la gØnistØine et l(cid:146)hydroxygØnistØine, ainsi que leurs
conjuguØs glycosylØs. Alors qu(cid:146)aucun changement n(cid:146)a pu Œtre observØ dans les
contenus internes d(cid:146)isoflavono(cid:239)des durant le dØveloppement des racines protØo(cid:239)des,
la sØcrØtion de ces composØs, elle, variait en fonction du stade de dØveloppement,
avec la plus forte sØcrØtion dans les jeunes racines et les racines prØmatures. Une
modification importante de cette sØcrØtion d(cid:146)isoflavono(cid:239)des par les jeunes pousses de
lupins a ØtØ observØe lorsque les graines avaient germØ en prØsence de bactØries ou
de champignons. Cette rØaction (cid:224) la prØsence de micro-organismes lors de la
germination Øtait spØcifique (cid:224) la souche de bactØrie ou de champignon utilisØe.

Nous avons Øgalement investiguØ l(cid:146)impact de la sØcrØtion des racines protØo(cid:239)des du
lupin sur les communautØs microbiennes de la rhizosphŁre. Nos rØsultats ont montrØ
que les communautØs bactØriennes Øtaient influencØes par l(cid:146)activitØ de sØcrØtion des
racines protØo(cid:239)des : le stade mature des racines protØo(cid:239)des Øtait caractØrisØ par une
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Plant nutrition under P deficiency Summary
plus faible abondance de bactØries (cultivables et totales), ainsi qu(cid:146)une moins grande
richesse (profils DGGE). Environ 50 % des populations bactØriennes isolØes du
stade mature des racines protØo(cid:239)des Øtait capables de pousser sur des milieux (cid:224) bas
pH (4), alors que seuls 20 % des populations isolØes du stade juvØnile pouvaient
faire de mŒme, ce qui suggŁre que la baisse de pH qui se produit de maniŁre
temporaire dans la rhizosphŁre des racines protØo(cid:239)des matures pourrait Œtre la
cause de la baisse d(cid:146)abondance bactØrienne observØe prØcisØment (cid:224) ce stade. En
revanche, aucun effet inhibiteur des isoflavono(cid:239)des excrØtØs par le lupin blanc n(cid:146)a
pu Œtre observØ in vitro sur la croissance des bactØries. Ces isoflavono(cid:239)des ont
provoquØ une rØaction uniquement chez certains champignons, dont la sporulation
a ØtØ stimulØe. Des activitØs de type PGPR (plant growth promoting rhizobacteria)
ont aussi ØtØ testØes sur les souches isolØes de la rhizosphŁre des racines protØo(cid:239)des
du lupin blanc et les rØsultats ont suggØrØ que la production d(cid:146)auxine par les
bactØries pourrait Œtre impliquØe dans la formation des racines protØo(cid:239)des. De plus,
la fixation associative d(cid:146)azote a ØtØ analysØe par des mØthodes de « fingerprinting »
sur la base de fragments du gŁne nifH amplifiØ (cid:224) partir des ADN et des ARN
extraits de diffØrents stades des racines protØo(cid:239)des. Aucune amplification n(cid:146)a ØtØ
observØe pour les racines protØo(cid:239)des matures, alors que l(cid:146)amplification a ØtØ possible
pour les juvØniles et les sØnescentes (cid:224) partir d(cid:146)ADN et Øgalement (cid:224) partir d(cid:146)ARN
dans un cas, ce qui laisse penser que la fixation associative d(cid:146)azote pourrait avoir
lieu dans la rhizosphŁre des racines protØo(cid:239)des, en plus de la fixation symbiotique
dans les nodules, qui se forment en gØnØral sur les racines non protØo(cid:239)des.

Le phosphore est un des ØlØments majeurs qui limitent les rendements de
l(cid:146)agriculture dans bien des rØgions du monde et le lupin blanc pourrait Œtre une
plante prometteuse (cid:224) cet Øgard, puisqu(cid:146)il est capable (cid:224) la fois d(cid:146)acquØrir le
phosphate en produisant des racines protØo(cid:239)des et de fixer l(cid:146)azote en association
avec des bactØries symbiotiques. A l(cid:146)issue de ce travail, nous avons acquis une
comprØhension plus approfondie du fonctionnement des racines protØo(cid:239)des et des
interactions entre la plante et les micro-organismes de la rhizosphŁre. Ces
connaissances pourront, je l(cid:146)espŁre, Œtre transfØrØes du laboratoire (cid:224) la situation
concrŁte de la culture au champ.
Weisskopf et al. 2005 PhD Thesis 10