Endophytes are microorganisms colonizing plant internal tissues. They are ubiquitously associated with plants and play important roles in plant health. Seeds, like no other plant organs, provide insights into the origin of plant microbiota. However, their impact on plant microbiota assembly remains elusive. The composition and function of seed-borne endophytes have yet to be characterized. In this thesis, we used barley (Hordeum vulgare) as the model plant to investigate seed-borne endophytes and their influence on the root microbiome. The first study characterized barley seed-borne endophytes and investigated the role of seed-borne endophytes as a source of “first inoculum” of root microbiome. We found that the structure of barley seed-borne endophytes was cultivar-dependent. However, most of the bacterial endophyte were shared by seeds of different cultivars, mainly including Phyllobacterium, Enterobacter, Paenibacillus, and Pseudomonas. Under sterile conditions, the major groups in barley roots were similar to the profile of seed microbiome, indicating the vertical transmission of endophytes from seeds to roots. When plants were grown in soil, seed-borne endophytes became less abundant in root microbiome. Instead, Actinomycetales, Rhizobiales, and Burkholderiales were enriched in barley roots, indicating a strong influence of the soil bacterial community. The second study explored the genomic features of the seed-borne endophytes vertically transmitted to roots. The most prevalent functions include chemotaxis, biofilm formation and adhesion, such as methyl-accepting chemotaxis, flagella, pili, and hemagglutinin. Other dominant functional pathways were found to be osmoprotectants and antioxidant enzymes pivotal to survive the high osmotic pressure as well as amylase, aminopeptidase, and phytase, which are critical for nutrient mobilization during seed germination. ACC deaminase and IAA production were widely distributed in seed-borne endophytes. The most abundant secretion system was found to be the Type VI secretion system (T6SS). T3SS was also widely occurred. However, the needle part of the T3SS was missing, coining the term “disarmed pathogen”. Besides the initial microbial inoculum provided by seeds, soil microbiome confers an extremely high diversity to plants. Our third study investigated the effect of soil microbiome on barley drought tolerance and the response of endophytes under drought stress. We found similar barley plant performance in the natural and autoclaved soil under well-irrigated conditions. However, plants did perform better under drought stress in the presence of the natural soil microbiome compared to autoclaved soil with a disturbed microbiome. Following exposure to drought, Massilia was enriched in barley root endophytes. OTUs belonged to Actinobacteriales, Rhizobiales and Burkholderiales were also enriched. With regards to fungi, OTUs assigned to Pleurophragmium and Falciphora were enriched in roots under drought stress. In the autoclaved soil, 4 drought-enriched root OTUs assigned to Pantoea and Erwinia were found with seed origin. Besides, many drought-related genera were also detected in barley seeds, although not the same OTUs. Our results indicate a possible correlation between the seed-borne endophytes and the root microbiome of drought-stressed plants. In summary, we characterized the composition and function of barley seed-borne endophytes. Our work shed light on the role of seed-borne endophytes as drivers in the assembly of root microbiome. Although their exact roles on plant growth still needs to be addressed, it is possible that they benefit plant development during germination and establishment of the seedlings. The potential significance of seed-borne endophytes on plant drought tolerance was also implicated.      «

Endophytes are microorganisms colonizing plant internal tissues. They are ubiquitously associated with plants and play important roles in plant health. Seeds, like no other plant organs, provide insights into the origin of plant microbiota. However, their impact on plant microbiota assembly remains elusive. The composition and function of seed-borne endophytes have yet to be characterized. In this thesis, we used barley (Hordeum vulgare) as the model plant to investigate seed-borne endophytes an...     »

Endophyten sind Mikroorganismen, welche das innere Gewebe einer Pflanze besiedeln. Sie sind ubiquitär mit ihnen verbunden und spielen eine wichtige Rolle für die Gesundheit der Pflanzen. Die Samen der Pflanze liefern, wie kein anderes pflanzliches Organ, Einblicke in die Herkunft des pflanzlichen Mikrobioms. Ihr Einfluss auf die Zusammensetzung des pflanzlichen Mikrobioms ist jedoch nach wie vor schwer bestimmbar. Die Struktur und Funktion von Endophyten, die durch das Saatgut weiter gegeben werden, muss jedoch noch charakterisiert werden. In dieser Arbeit wurde Gerste (Hordeum vulgare) als Modellpflanze verwendet, um samengetragene Endophyten und ihren Einfluss auf das Wurzelmikrobiom zu untersuchen. Die erste Studie charakterisierte Endophyten aus Gerstensamen. Wir untersuchten welche Rolle Endophyten aus Gerstensamen als Quelle für das „erste Inokulum“ für das Wurzelmikrobiom spielen. Wir fanden heraus, dass die Struktur von samenbürtigen Endophyten kulturabhängig ist. Die meisten bakteriellen Endophyten wurden jedoch in allen Samen der verschiedenen Sorten gefunden. Diese bestanden hauptsächlich aus den Gattungen Phyllobacterium, Enterobacter, Paenibacillus und Pseudomonas. Unter sterilen Bedingungen ähnelten die Hauptgruppen in Gerstenwurzeln dem Profil des Samenmikrobioms, was auf die vertikale Übertragung von Endophyten von Samen zu Wurzeln hinweist. Samenbürtige Endophyten wurden hingegen weniger häufig im Wurzelmikrobiom gefunden, wenn die Pflanzen in Boden gezüchtet wurden. Stattdessen wurden Actinomycetales, Rhizobiales und Burkholderiales in Gerstenwurzeln angereichert, was auf einen starken Einfluss der Bodenbakteriengemeinschaft hinweist. Die zweite Studie untersuchte die genomischen Eigenschaften von samenbürtigen Endophyten, die vertikal auf die Wurzeln übertragen werden. Die am häufigsten vorkommenden Funktionen umfassten Chemotaxis, Biofilmbildung und Adhäsion, wie z.B. Methyl-akzeptierende Chemotaxis, Flagellen, Pili und Hämagglutinin. Weitere dominante funktionale Eigenschaften waren die Anwesenheit von Osmoprotektiva und antioxidativen Enzymen, welche entscheidend sind für das Überleben bei hohem osmotischen Druck. Außerdem fanden wir die Enzyme Amylase, Aminopeptidase und Phytase, welche für die Nährstoffmobilisierung während der Samenkeimung entscheidend sind. Zudem waren ACC-Desaminase- und IAA-Produktion in samengetragenen Endophyten weit verbreitet. Das am häufigsten vorkommende Sekretionssystem war das Typ VI-Sekretionssystem (T6SS). Ebenfalls weit verbreitet war T3SS. Jedoch fehlte die Nadelstruktur des T3SS, wodurch der Begriff des „entwaffneten Erregers“ geprägt wurde. Das Bodenmikrobiom verleiht den Pflanzen neben dem anfänglichen mikrobiellen Inokulum, das durch Samen bereitgestellt wird, eine extrem hohe Vielfalt. Unsere dritte Studie untersuchte die Auswirkung des Bodenmikrobioms auf die Gersten-Trockenheitstoleranz und die Reaktion von Endophyten auf Trockenstress. Unter gut bewässerten Bedingungen zeigte der Vergleich der Pflanzenaufzucht in natürlichem gegen autoklavierten Boden eine ähnliche Leistung der Gerstenpflanze. Unter Trockenstress zeigten die Pflanzen jedoch eine bessere Leistung in Gegenwart des natürlichen Bodenmikrobioms verglichen mit dem des autoklavierten Bodens mit einem gestörten Mikrobiom. Die Gattung Massilia war nach Trockenheit in den Gerstenwurzelendophyten angereichert. OTUs von Actinobacteriales, Rhizobiales und Burkholderiales waren ebenfalls angereichert. In Bezug auf Pilze, waren OTUs, zugeordnet zu Pleurophragmium und Falciphora, unter Trockenstress in den Wurzeln angereichert. In autoklaviertem Boden konnten vier OTUs in den Wurzeln nachgewiesen werden, die aus den Samen stammen. Diese wurden zugeordnet zu den Gattungen Pantoea und Erwinia. Zudem wurden viele dürrebedingte Gattungen auch in Gerstensamen nachgewiesen, wenngleich nicht dieselben OTUs. Unsere Ergebnisse deuten auf eine mögliche Korrelation zwischen den von Samen übertragenen Endophyten und dem Wurzelmikrobiom von dürre-gestressten Pflanzen hin. Zusammenfassend charakterisierten wir die Zusammensetzung und Funktion von Endophyten aus Gerstensamen. Unsere Arbeit beleuchtet die Rolle von samenbürtigen Endophyten als Treiber beim Aufbau von Wurzelmikrobiomen. Auch wenn ihre genaue Rolle für das Pflanzenwachstum noch geklärt werden muss, ist es möglich, dass sie der Pflanzenentwicklung während der Keimung und Etablierung der Sämlinge zugute kommen. Ebenfalls konnte die potenzielle Bedeutung von samenbürtigen Endophyten in Verbindung gebracht werden mit der Toleranz der Wirtspflanze gegenüber Trockenheit.      «

Endophyten sind Mikroorganismen, welche das innere Gewebe einer Pflanze besiedeln. Sie sind ubiquitär mit ihnen verbunden und spielen eine wichtige Rolle für die Gesundheit der Pflanzen. Die Samen der Pflanze liefern, wie kein anderes pflanzliches Organ, Einblicke in die Herkunft des pflanzlichen Mikrobioms. Ihr Einfluss auf die Zusammensetzung des pflanzlichen Mikrobioms ist jedoch nach wie vor schwer bestimmbar. Die Struktur und Funktion von Endophyten, die durch das Saatgut weiter gegeben wer...     »