Role of Bacillus subtilis exopolymeric genes in modulating rhizosphere microbiome assembly

Resumo

Contexto: Bacillus subtilis é bem conhecido por promover o crescimento das plantas e reduzir estresses abióticos e bióticos. Modelos mutantes com genes defectivos podem ser criados para compreender características importantes associadas à aptidão na rizosfera. Este estudo teve como objetivo analisar o papel de genes exopoliméricos na modulação da montagem do microbioma da rizosfera do tomateiro sob um gradiente de diversidade do microbioma do solo, utilizando a estirpe selvagem de B. subtilis UD1022 e sua estirpe mutante correspondente UD1022eps−TasA, defectiva na produção de exopolissacarídeo (EPS) e da proteína TasA.
Resultados: A qPCR revelou que a estirpe UD1022eps−TasA− de B. subtilis tem capacidade reduzida de colonizar raízes de tomateiro em solos com diversidade microbiana diluída. A análise da β-diversidade bacteriana revelou diferenças significativas nas estruturas das comunidades bacterianas e fúngicas após a inoculação com as estirpes selvagem ou mutante de B. subtilis. Os filos Verrucomicrobiota, Patescibacteria e Nitrospirota foram mais enriquecidos com a inoculação da estirpe selvagem do que com a do mutante. A análise de coocorrência revelou que, quando o mutante foi inoculado no tomateiro, a comunidade microbiana da rizosfera apresentou menor modularidade, menos nós e menos comunidades em comparação com as comunidades inoculadas com B. subtilis selvagem.
Conclusão: Este estudo amplia a compreensão sobre os genes de EPS e TasA, que não apenas são importantes para a colonização radicular, mas também desempenham papel significativo na montagem do microbioma da rizosfera. Pesquisas futuras devem concentrar-se em características genéticas específicas do microbioma e em suas implicações para a colonização da rizosfera, associadas à modulação do microbioma da rizosfera. Esses esforços serão cruciais para otimizar abordagens baseadas em PGPR na agricultura.

Abstract

Background: Bacillus subtilis is well known for promoting plant growth and reducing abiotic and biotic stresses. Mutant gene-defective models can be created to understand important traits associated with rhizosphere fitness. This study aimed to analyze the role of exopolymeric genes in modulating tomato rhizosphere microbiome assembly under a gradient of soil microbiome diversities using the B. subtilis wild-type strain UD1022 and its corresponding mutant strain UD1022eps−TasA, which is defective in exopolysaccharide (EPS) and TasA protein production.
Results: qPCR revealed that the B. subtilis UD1022eps−TasA− strain has a diminished capacity to colonize tomato roots in soils with diluted microbial diversity. The analysis of bacterial β-diversity revealed significant differences in bacterial and fungal community structures following inoculation with either the wild-type or mutant B. subtilis strains. The Verrucomicrobiota, Patescibacteria, and Nitrospirota phyla were more enriched with the wild-type strain inoculation than with the mutant inoculation. Co-occurrence analysis revealed that when the mutant was inoculated in tomato, the rhizosphere microbial community exhibited a lower level of modularity, fewer nodes, and fewer communities compared to communities inoculated with wild-type B. subtilis.
Conclusion: This study advances our understanding of the EPS and TasA genes, which are not only important for root colonization but also play a significant role in shaping rhizosphere microbiome assembly. Future research should concentrate on specific microbiome genetic traits and their implications for rhizosphere colonization, coupled with rhizosphere microbiome modulation. These efforts will be crucial for optimizing PGPR-based approaches in agriculture.