A gnotobiotic-based approach to study the plant microbiome assembly

The current challenges in agricultural production, such as a growing global population, environmental impacts of climate change, and constraints on land and water resources, need the urgent exploration and implementation of innovative sustainable solutions. Ensuring food security requires addressing these issues comprehensively. Consequently, the investigation of the plant microbiome has gained importance due to its potential to enhance plant growth in adverse conditions. Even though plant microbiomes play an essential role in agricultural sustainability, numerous questions regarding their assembly and impact on plant fitness, ecology, and evolution remain unanswered. The goal of this project is to use gnotobiotic plants (plants with low number of associated microorganisms) and metagenomics techniques to decipher the complicated network of relationships between hosts and their microbiomes. Our results contribute to a better understanding of plant-microbiome dynamics and their effect on plant ecology and evolution, with important potential application in sustainable agriculture and resilience to climate changes. We first conducted a systematic review of existing literature on the plant microbiome, aiming to highlight knowledge gaps and identify technical issues. Our analysis involved collecting data from 610 studies, focusing on DNA extraction methods, primer pairs, sequencing technologies, and data availability. The findings revealed significant variability in approaches across articles, posing challenges for meaningful comparisons between studies and emphasizing the need for standardized methodologies in plant microbiome research. Second, using gnotobiotic lettuce plants inoculated with diverse soil samples, we aimed at understanding how plant microbiomes are assembled during early developmental stages. Results from our study show that host plants do not initially exert a selective influence on the microbiome of gnotobiotic plants (those inherited from seeds). However, this dynamic shifts rapidly when plants come into contact with soil microbiomes. In just one week, plants demonstrated the ability to selectively choose microorganisms from the inocula, assemble the root microbiome and from this, assemble the shoot microbiome through deterministic processes. Third, we aimed to select a microbial community that can effectively contrast the development of postharvest diseases. This was achieved by subjecting microbial communities obtained from five different sources to selective pressure over ten cycles on apple fruits. We then used the microbial community from the first and tenth generation to inoculate apple fruits together with two pathogenic fungi: Botrytis cinerea and Penicillium expansum. Our findings indicated a significant change in the structure of microbial communities over successive cycles, and resulting communities were able to reduce disease by 90% (B. cinerea) and 70% (P. expansum). Fourth, we investigated how increases in environmental temperature affect plant-microbiome interactions by simulating global warming scenarios and the subsequent effect on plant phenotypic plasticity. We used gnotobiotic Spirodela polyrhiza as a model species, inoculated 99 genotypes with a synthetic bacterial community, and cultivated plants at two different temperatures. Our results showed that temperature, population, and time point significantly impacted changes in plant phenotypic traits such as surface area, dry biomass, and fronds reproduction rates. This effect can potentially influence the evolution of plant populations under higher temperatures. Riassunto Le attuali sfide nella produzione agricola, come la crescita della popolazione globale, gli impatti dei cambiamenti climatici e i vincoli sulle risorse terrestri e idriche, richiedono l’urgente esplorazione e implementazione di soluzioni sostenibili innovative. Lo studio del microbioma vegetale ha acquisito importanza grazie al suo potenziale di migliorare la crescita delle piante in condizioni avverse. Anche se i microbiomi vegetali svolgono un ruolo essenziale nella sostenibilità agricola, numerose domande riguardanti il loro assemblaggio e il loro impatto sulla salute, sull’ecologia e sull’evoluzione delle piante rimangono senza risposta. L'obiettivo di questa tesi è stato quello di utilizzare piante gnotobiotiche (piante con un basso numero di microrganismi associati) per decifrare la complicata rete di relazioni tra ospiti e i loro microbiomi. I nostri risultati contribuiscono a una migliore comprensione delle dinamiche pianta-microbioma e del loro effetto sull'ecologia e sull'evoluzione delle piante, con importanti potenzialità di applicazione nell’agricoltura sostenibile e resilienza ai cambiamenti climatici. Per prima cosa abbiamo condotto una revisione sistematica della letteratura esistente sul microbioma vegetale, con l’obiettivo di evidenziare le lacune nelle conoscenze e identificare le questioni tecniche. La nostra analisi condotta raccogliendo dati da 610 studi ha rivelato una variabilità significativa negli approcci per lo studio del microbioma delle piante, ponendo sfide per confronti significativi tra gli studi e sottolineando la necessità di metodologie standardizzate nella ricerca sul microbioma vegetale. In secondo luogo, utilizzando piante gnotobiotiche abbiamo mirato a comprendere come vengono assemblati i microbiomi vegetali durante le prime fasi di sviluppo. I risultati del nostro studio mostrano che le piante ospiti inizialmente non esercitano un’influenza selettiva sul microbioma delle piante gnotobiotiche (quello ereditato dai semi). Tuttavia, questa dinamica cambia rapidamente quando le piante entrano in contatto con il microbioma del suolo. In una sola settimana, le piante hanno dimostrato la capacità di scegliere selettivamente i microrganismi dagli inoculi, assemblare il microbioma della radice e da questo assemblare il microbioma del germoglio attraverso processi deterministici. In terzo luogo, abbiamo mirato a selezionare una comunità microbica in grado di contrastare efficacemente lo sviluppo di malattie post-raccolta. Ciò è stato ottenuto sottoponendo le comunità microbiche ottenute da cinque diverse fonti a pressione selettiva. Abbiamo poi utilizzato la comunità microbica della prima e della decima generazione per inoculare mele insieme a due funghi patogeni: Botrytis cinerea e Penicillium expansum. I nostri risultati hanno indicato un cambiamento significativo nella struttura delle comunità microbiche nel corso dei cicli successivi e le comunità risultanti sono state in grado di ridurre la malattia del 90% (B. cinerea) e del 70% (P. expansum). In quarto luogo, abbiamo studiato come gli aumenti della temperatura ambientale influenzano le interazioni pianta-microbioma simulando scenari di riscaldamento globale e il conseguente effetto sulla plasticità fenotipica delle piante. Abbiamo utilizzato Spirodela polyrhiza come specie modello, inoculato 99 genotipi gnotobiotici con una comunità batterica sintetica e coltivato piante a due diverse temperature. I nostri risultati hanno mostrato che la temperatura, la popolazione e il punto temporale hanno avuto un impatto significativo sui cambiamenti nei tratti fenotipici delle piante come la superficie, la biomassa secca e i tassi di riproduzione delle fronde. Questo effetto può potenzialmente influenzare l’evoluzione di comunità di piante a temperature più elevate.

Le attuali sfide nella produzione agricola, come la crescita della popolazione globale, gli impatti dei cambiamenti climatici e i vincoli sulle risorse terrestri e idriche, richiedono l’urgente esplorazione e implementazione di soluzioni sostenibili innovative. Lo studio del microbioma vegetale ha acquisito importanza grazie al suo potenziale di migliorare la crescita delle piante in condizioni avverse. Anche se i microbiomi vegetali svolgono un ruolo essenziale nella sostenibilità agricola, numerose domande riguardanti il loro assemblaggio e il loro impatto sulla salute, sull’ecologia e sull’evoluzione delle piante rimangono senza risposta. L'obiettivo di questa tesi è stato quello di utilizzare piante gnotobiotiche (piante con un basso numero di microrganismi associati) per decifrare la complicata rete di relazioni tra ospiti e i loro microbiomi. I nostri risultati contribuiscono a una migliore comprensione delle dinamiche pianta-microbioma e del loro effetto sull'ecologia e sull'evoluzione delle piante, con importanti potenzialità di applicazione nell’agricoltura sostenibile e resilienza ai cambiamenti climatici. Per prima cosa abbiamo condotto una revisione sistematica della letteratura esistente sul microbioma vegetale, con l’obiettivo di evidenziare le lacune nelle conoscenze e identificare le questioni tecniche. La nostra analisi condotta raccogliendo dati da 610 studi ha rivelato una variabilità significativa negli approcci per lo studio del microbioma delle piante, ponendo sfide per confronti significativi tra gli studi e sottolineando la necessità di metodologie standardizzate nella ricerca sul microbioma vegetale. In secondo luogo, utilizzando piante gnotobiotiche abbiamo mirato a comprendere come vengono assemblati i microbiomi vegetali durante le prime fasi di sviluppo. I risultati del nostro studio mostrano che le piante ospiti inizialmente non esercitano un’influenza selettiva sul microbioma delle piante gnotobiotiche (quello ereditato dai semi). Tuttavia, questa dinamica cambia rapidamente quando le piante entrano in contatto con il microbioma del suolo. In una sola settimana, le piante hanno dimostrato la capacità di scegliere selettivamente i microrganismi dagli inoculi, assemblare il microbioma della radice e da questo assemblare il microbioma del germoglio attraverso processi deterministici. In terzo luogo, abbiamo mirato a selezionare una comunità microbica in grado di contrastare efficacemente lo sviluppo di malattie post-raccolta. Ciò è stato ottenuto sottoponendo le comunità microbiche ottenute da cinque diverse fonti a pressione selettiva. Abbiamo poi utilizzato la comunità microbica della prima e della decima generazione per inoculare mele insieme a due funghi patogeni: Botrytis cinerea e Penicillium expansum. I nostri risultati hanno indicato un cambiamento significativo nella struttura delle comunità microbiche nel corso dei cicli successivi e le comunità risultanti sono state in grado di ridurre la malattia del 90% (B. cinerea) e del 70% (P. expansum). In quarto luogo, abbiamo studiato come gli aumenti della temperatura ambientale influenzano le interazioni pianta-microbioma simulando scenari di riscaldamento globale e il conseguente effetto sulla plasticità fenotipica delle piante. Abbiamo utilizzato Spirodela polyrhiza come specie modello, inoculato 99 genotipi gnotobiotici con una comunità batterica sintetica e coltivato piante a due diverse temperature. I nostri risultati hanno mostrato che la temperatura, la popolazione e il punto temporale hanno avuto un impatto significativo sui cambiamenti nei tratti fenotipici delle piante come la superficie, la biomassa secca e i tassi di riproduzione delle fronde. Questo effetto può potenzialmente influenzare l’evoluzione di comunità di piante a temperature più elevate.