Real Time Chemotaxis in Commensal Plant-microbe Associations

共生植物-微生物关联中的实时趋化性

基本信息

  • 批准号:
    1330344
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 79.39万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2013
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2013-09-01 至 2019-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Various plant-microbe and microbe-microbe interactions take place in the rhizosphere, the outcomes of which influence plant health and productivity. The molecular communication between bacteria and host plants that allow the establishment of specific symbiotic or pathogenic plant-bacteria interactions are known in detail. However, commensal plant-microbe associations that dominate in the rhizosphere have not been studied to the same extent and relatively little is known regarding the strategies used by commensal soil bacteria to initiate a loose association with plant root surfaces or the spatiotemporal dynamics of these associations. This research aims to characterize key bacterial determinants implicated in the establishment and maintenance of commensal bacteria-plant associations and the spatiotemporal dynamics of these associations, in real-time. Experiments will characterize the role of sensing and chemotaxis in the association of Azospirillum brasilense with wheat roots, which is an excellent model to quantitatively analyze beneficial commensal plant-microbe associations at high temporal and spatial resolution scales. Using iterations between experiments and mathematical modeling, the research will characterize the selective advantage that multiple chemotaxis pathways provide to the ability of bacteria to sense and respond to gradients relevant to their lifestyle in the soil and in the rhizosphere. Next, the role of receptors capable of integrating metabolic status with sensing in mediating rhizosphere colonization will be determined. The project will also use a novel expression system to track how changes in the intracellular concentration of a key metabolite (c-di-GMP) affect locomotor behaviors in real time. Last, a quantitative approach to monitor, in real-time, the role of sensing and chemotaxis in the spatiotemporal dynamics of commensal plant-root colonization will be implemented. Most soil bacteria form commensal associations with the roots of plants and the sequenced genomes of these bacteria encode at least two Che pathways. Results obtained will be directly transposable to other motile soil bacteria and will provide much needed quantitative insights into the molecular mechanisms involved in the establishment of commensal plant-microbe associations. This knowledge is a prerequisite to a systems-level understanding of the diverse plant-microbe associations that exist in the rhizosphere. The approach to real-time and quantitative monitoring of commensal plant-microbe associations will document the spatiotemporal dynamics of these associations for the first time and ultimately inform future effective strategies to manipulate the rhizosphere to improve plant health and productivity. Broader Impacts: This project will provide new tools and methods to quantitatively analyze the spatiotemporal dynamics of plant-microbe associations, including approaches to track real-time root-microbe associations. The mathematical model derived from this research will be useful in future systems-level simulations of plant-microbe associations for rhizosphere manipulation and promotion of plant health. The project will also characterize sensory modules that will enhance the synthetic biology toolkit. In addition, cross-disciplinary interactions in biology and mathematics for graduate students and undergraduate students, including members of underrepresented groups in the sciences, will be established.
植物-微生物和微生物-微生物的相互作用在根际发生,其结果影响植物的健康和生产力。细菌和寄主植物之间的分子通信允许建立特定的共生或致病的植物-细菌相互作用的详细信息。然而,在根际中占主导地位的共生植物-微生物联合的研究还没有达到同样的程度,关于共生土壤细菌所使用的策略来启动与植物根表面的松散联合或这些联合的时空动态,人们知之甚少。这项研究的目的是实时表征在建立和维持共生细菌-植物关联中涉及的关键细菌决定因素以及这些关联的时空动态。实验将表征传感和趋化性在巴西固氮螺菌与小麦根联合中的作用,这是在高时空分辨率尺度上定量分析有益的植物-微生物联合的一个很好的模型。利用实验和数学建模之间的迭代,这项研究将表征多个趋化途径为细菌感知和响应与其在土壤和根际的生活方式有关的梯度的能力提供的选择优势。接下来,将确定能够将代谢状态与感觉相结合的受体在调节根际定植中的作用。该项目还将使用一种新的表达系统来实时跟踪关键代谢物(c-di-GMP)细胞内浓度的变化如何影响运动行为。最后,将实施一种实时监测传感和趋化作用在共生植物-根部定植的时空动态中的作用的定量方法。大多数土壤细菌与植物的根形成共生关系,这些细菌的基因组序列至少编码两条CHE途径。所获得的结果将直接转座给其他可移动的土壤细菌,并将为建立共生植物-微生物协会所涉及的分子机制提供亟需的量化见解。这一知识是从系统层面理解根际中存在的各种植物-微生物组合的先决条件。实时和定量监测共生植物-微生物联合的方法将首次记录这些联合的时空动态,并最终为未来操纵根际以改善植物健康和生产力的有效战略提供信息。更广泛的影响:该项目将提供新的工具和方法来定量分析植物-微生物关联的时空动态,包括跟踪实时根-微生物关联的方法。从这项研究中得出的数学模型将在未来系统水平上模拟植物-微生物之间的相互关系,以控制根际环境,促进植物健康。该项目还将表征将增强合成生物学工具包的感觉模块。此外,还将为研究生和本科生建立生物和数学方面的跨学科互动,包括科学中代表性不足的群体的成员。

项目成果

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