Soybean microbiome structure and assembly process

Moroenyane, Itumeleng (2022). Soybean microbiome structure and assembly process Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en biologie, 250 p.

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Résumé

The plant microbiome consists of the combined microbial communities that reside on and within the plant; these communities have an intrinsic relationship with their hosts, and some confer benefits to the plant host. The plant microbiome is recognised as an extension of the plant immune response and agents that abet stress. Although the role of stress in influencing the plant microbiome is well documented, a comprehensive understanding of successional patterns and prevailing assembly processes of soybean-associated microbes is still lacking. This thesis aimed to investigate different soybean microbial communities' spatial and temporal colonisation patterns and their overall ecological assembly processes. This thesis's overarching hypothesis was that there are spatial and temporal microbial niches spaces within the soybean microbiome, and these niche spaces are under strict plant-mediated selection. The second chapter focused on discerning bacterial and fungal successional patterns across all plant compartments and tested for niche differentiation along spatial and temporal axes. It highlighted that interactions between spatial and temporal dynamics influenced microbiome diversity patterns. Moreover, it emphasised the existence of a strong temporal dependence of communities. The third chapter focused on elucidating the prevailing assembly processes across spatial and temporal axes. Using complementary community assembly models, I highlighted that the plant compartment and developmental stage modulated the balance between niche-based and neutral processes. Also, it showed the importance of dispersal limitations in structuring plant microbiomes. The fourth chapter contrasted the different colonisation patterns of seed and soil microbiomes. Using a reductionist approach, I used near-axenic seedlings, which were inoculated with varying microbiome sources. It highlighted that the seed microbiome colonised the shoot compartment during early developmental stages, whilst the soil microbiome colonised the rhizosphere. The seed microbiome was capable of outcompeting members of the rhizosphere to colonise the endophytic space quickly. Different microbiome sources also influenced the abundance of Ncycling genes across all plant compartments, with an increased abundance of N-cycling genes in the soil treatment. Overall, this thesis shows that the soybean microbiome is temporally nested, and microbiome sources influenced colonisation patterns. Lastly, plant-mediated selection along with dispersal limitation played a role in their assembly. This adds to ongoing efforts to manipulate plant microbiomes for increased beneficial services and more sustainable agriculture.

Le microbiome de la plante est composé des communautés microbiennes qui résident sur et dans la plante et qui entrent en relation avec la plante hôte. Le microbiome de la plante est reconnu comme une prolongation du système immunitaire de la plante et contient des organismes pouvant réduire le stress éprouvé par la plante. Quoique l’influence du stress sur le microbiome de la plante est bien documenté, la compréhension détaillée de la succession et des processus d’assemblage des communautés microbiennes du soya est encore rudimentaire. L’hypothèse principale de cette thèse est qu’il existe des niches microbiennes spatiales et temporelles dans le soya, et que ces niches sont strictement sous le contrôle sélectif de la plante. Le deuxième chapitre compare les successions bactériennes et fongiques pour tous les compartiments de la plante et examine les preuves quant à l’existence de niches spatiales et temporelles. J’y démontre que la diversité microbienne est influencée par l’interaction entre les dynamiques temporelles et spatiales, en plus de la forte dépendance temporelle des communautés. Le troisième chapitre décortique les processus d’assemblage des communautés à travers le temps et l’espace. Je démontre, en utilisant des modèles d’assemblage des communautés complémentaires, que l’influence relative des processus neutres et de niches dépendent du compartiment et du stade de développement de la plante. De plus, l’importance des limitations de la dispersion sur la structure du microbiome y est démontré. Le chapitre 4 compare la colonisation microbienne de plantules de soya par le microbiome de la semence et du sol. Pour ce faire, j’ai utilisé une approche réductionniste où des semences pratiquement axéniques ont été inoculées avec des microbiome de différentes sources. Le microbiome des semences a colonisé les parties aériennes de la plante tandis que le microbiome du sol a colonisé la rhizosphère. Le microbiome des semences a été plus efficace pour coloniser l’intérieur des plantes que le microbiome du sol, même lorsque ces deux étaient mis en compétition. La source du microbiome a aussi influencé l’abondance des gènes du cycle de l’azote, ceux-ci ayant une plus forte abondance dans les plantules inoculées avec le microbiome du sol. Cette thèse démontre que le microbiome du soya est imbriqué temporellement, que la provenance du microbiome influence la colonisation de la plantule et que l’assemblage des communautés est influencé par la sélection de la plante et la limitation de la dispersion. Ces connaissances joueront un rôle critique dans les efforts en cours pour manipuler les microbiome des plantes afin d’augmenter les services bénéfiques des microbes pour une agriculture plus durable.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Yergeau, Étienne
Mots-clés libres:	-
Centre:	Centre INRS-Institut Armand Frappier
Date de dépôt:	01 juill. 2024 14:06
Dernière modification:	01 juill. 2024 14:06
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/15726

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