Analysis and characterization of microbial biofilm associated with the roots of Phragmites australis and Typha latifolia

Phragmites australis and Typha latifolia are two macrophytes commonly present in natural and artificial wetlands. Roots of these plants engage in interactions with a broad range of microorganisms, collectively referred to as the microbiota. These interactions contribute to the natural process of phytodepuration, whereby pollutants are removed from contaminated water bodies through plants. The outermost layer of the root corpus, the rhizoplane, is a hot-spot for these interactions where microorganisms establish specialized aggregates designated biofilm. Earlier studies suggest that biofilm-forming members of the microbiota play a crucial role in the process of phytodepuration. However, the composition and recruitment cues of the Phragmites and Typha microbiota remain poorly understood. We therefore decided to investigate the composition and functional capacities of the bacterial microbiota thriving at the P. australis and T. latifolia root-soil interface. By using 16S rRNA gene Illumina MiSeq sequencing approach we demonstrated that, despite a different composition of the initial basin inoculum, the microbiota associated with the rhizosphere and rhizoplane of P. australis and T. latifolia tend to converge towards a common taxonomic composition dominated by members of the phyla Acidobacteria, Actinobacteria, Firmicutes, Proteobacteria and Planctomycetes. These differences were mirrored by a structural diversification of the microbiota at lower taxonomic ranks. This indicates the existence of a selecting process acting at the root-soil interface of these aquatic plants reminiscent of the one observed for land plants. The magnitude of this selection process is maximum at the level of the rhizoplane, where we identified different bacterial taxa enriched in and discriminating between rhizoplane and rhizosphere fractions in a species-dependent and –independent ways. This led us to hypothesize that the structural diversification of the rhizoplane community underpins specific metabolic capabilities of the microbiota. We tested this hypothesis by complementing the sequencing survey with a two-pronged approach. First, we inferred the functional potential of these communities through a predictive metagenomics approach using the software PICRUSt and we found that transporters and transcription factors-encoding genes are a distinctive feature of the rhizoplane-enriched communities. In parallel, we used Scanning Electronic Microscopy, bacterial isolation and a biochemical assay to demonstrate that rhizoplane-enriched bacteria have a bias for biofilm-forming members. Together, our data will set the stage towards the rational exploitation of plant-microbiota interactions for phytodepuration.

Phragmites australis e Typha latifolia sono due macrofite comunemente presenti nelle zone umide naturali e artificiali. Le radici di queste piante stabiliscono interazioni con una vasta gamma di microrganismi, denominati collettivamente “microbiota”. Queste interazioni contribuiscono al processo naturale di fitodepurazione, per cui le sostanze inquinanti sono rimosse dai corpi idrici contaminati attraverso le piante. Lo strato più esterno del corpus radicale, il rizoplano, dove i microrganismi formano aggregati specializzati designati come biofilm, è un punto caldo per queste interazioni. Studi precedenti suggeriscono che i membri del microbiota biofilm-formanti svolgono un ruolo cruciale nel processo di fitodepurazione. Tuttavia, la composizione e le dinamiche di reclutamento del microbiota di Phragmites e Typha restano poco chiare. Abbiamo quindi deciso di indagare la composizione e le capacità funzionali del microbiota batterico che colonizza l'interfaccia radice-suolo di P. australis e T. latifolia. Utilizzando l'approccio di sequenziamento Illumina MiSeq del gene 16S del rRNA abbiamo dimostrato che, malgrado una composizione differente dell'inoculo iniziale del bacino, il microbiota associato alla rizosfera e al rizoplano di P. australis e di T. latifolia tende a convergere verso una comune composizione tassonomica dominata dai membri dei phyla Acidobacteria, Actinobacteria, Firmicutes, Proteobacteria e Planctomycetes. Queste differenze sono state rispecchiate dalla diversificazione strutturale del microbiota ai livelli tassonomici più bassi. Ciò indica l'esistenza di un processo di selezione che agisce all'interfaccia radice-suolo di queste piante acquatiche e ricorda quello osservato per le piante terrestri. La grandezza di questo processo di selezione è massima al livello del rizoplano, dove abbiamo identificato diversi taxa batterici arricchiti e discriminati fra i comparti rizoplano e rizosfera attraverso meccanismi specie-dipendenti ed –indipendenti. Questo ci ha portato a ipotizzare che la diversificazione strutturale della comunità del rizoplano sia collegata a specifiche capacità metaboliche del microbiota. Abbiamo testato questa ipotesi integrando l'analisi di sequenziamento con un approccio a due fronti. In primo luogo, abbiamo dedotto il potenziale funzionale di queste comunità attraverso un approccio predittivo metagenomico utilizzando il software PICRUSt e abbiamo scoperto che i trasportatori e i geni codificanti per i fattori di trascrizione sono una caratteristica distintiva delle comunità arricchite nel rizoplano. Parallelamente, abbiamo usato la Microscopia Elettronica a Scansione, l'isolamento batterico e l’analisi biochimica per dimostrare che i batteri arricchiti nel rizoplano hanno una predilezione per i membri formatori di biofilm. Nell’insieme i nostri dati apriranno il campo verso lo sfruttamento razionale delle interazioni pianta-microbiota ai fini della fitodepurazione.