Comprehensive proteomic study of Bacillus amyloliquefaciens strain FZB42 and its response to plant root exudates

Abstract

Bacillus amyloliquefaciens FZB42 ist ein frei lebendes Bakterium, das Pflanzenwurzeln besiedelt und das Pflanzenwachstum durch viele verschiedene Wirkmechanismen anregt. In dieser Arbeit wurden die molekularen Grundlagen dieser positiven Wirkungen, die dieses „Pflanzenwachstum fördernde Rhizobakterium“ (PGPR) auf seine Wirte ausübt, untersucht. Um den gegenseitigen Austausch von B. amyloliquefaciens und seinen Wirtspflanzen zu entschlüsseln, wurden umfangreiche Proteomstudien durchgeführt. Es wurden Referenzkarten der extrazellulären und zytosolischen Proteinfraktionen erstellt. Die größte Anzahl an ausgeschiedenen Proteinen konnte während der stationären Phase beobachtet werden. Die identifizierten extrazellulären Proteine gehören verschiedenen Funktionsklassen an, wobei die prominentesten Klassen am Kohlenhydrat-Abbau und den Transport von Molekülen durch die Zellwand beteiligt sind. Die zytosolischen Extrakte von Kulturen, die in 1C-Medium bzw. Mineralmedium angezogen wurden, und in der zweidimensionalen Gelelektrophorese (2 DE) aufgetrennt wurden, ergaben 461 und 245 verschiedene Protein-Einträge. Die erstellten Referenz-Karten wurden anschließend verwendet, um Proteine und Prozesse, in an der Interaktion mit Pflanzen beteiligt sind, zu identifizieren. Dafür wurden die Bakterien Wurzelexudaten von Mais (Zea mays L.) ausgesetzt. Die Proteine aus zwei Stämmen, denen die globalen Transkriptionsregulatoren (Degu, AbrB) und vier Sigma-Faktoren (SigB, SigM, SigV, und SigX) fehlen, wurden ebenfalls untersucht, um ihre Beteiligung an den bakteriellen Reaktionen auf die Wurzelausscheidungen zu analysieren. Zusammenfassend ist dies die erste Studie, die umfangreiche Proteomdaten von Gram-positiven PGPR präsentiert, wobei gleichzeitig die Veränderung der Expression von extrazellulären und zytoplasmatischen Proteinen, nach Zugabe von Wurzelexudaten, ausgewertet wurde.

Bacillus amyloliquefaciens strain FZB42 is a free-living bacterium that competitively colonizes plant roots and stimulates plant growth by many different modes of action. The molecular basis of singular beneficial effects that this Plant Growth-Promoting Rhizobacteria (PGPR) exert on their hosts have been studied. To decipher the molecular cross-talk of B. amyloliquefaciens and its’ host plants as a whole system, an extensive proteomic approach was performed. Reference maps of the extracellular and cytosolic protein fractions were established. The highest number of secreted proteins was observed during stationary growth phase. Identified extracellular proteins belong to different functional classes, with the most prominent classes involved in carbohydrate degradation and transportation of molecules across the cell wall. Cytosolic extracts obtained from cultures grown in 1C and minimal media subjected to the 2 Dimensional Electrophoresis (2 DE), revealed 461 and 245 different protein entries, respectively. Created reference maps were subsequently used to identify proteins and processes involved in the interaction with plants, prior to exposure of bacteria to maize (Zea mays L.) root exudates. The proteomics of two strains lacking expression of genes coding for global transcriptional regulators (degU, abrB) and four sigma factors (sigB, sigM, sigV, and sigX) were also inves-tigated, in order to analyse their involvement in bacterial responses to root exudates. In summary, this is the first study presenting comprehensive proteomics of Gram-positive PGPR, evaluating at the same time changes in protein expression caused by addition of root exudates at the extracellular and cytosolic level.