Impact of plant growth promoting rhizobacteria (PGPR) on stress resistance of winter wheat (Triticum aestivum L.)

Wheat is one of the worldwide most cultivated crop and highly contribute to secure food production in different world regions. Although, it grows almost ubiquitous, its production is severely vulnerable to drought. Soil and rhizosphere microbial communities associated to plants come more and more into the focus of modern agrobiology research, as a solution to maintain productivity under drought, and reinforce sustainable production. Whereas numerous studies on wheat production and the beneficial influence of the soil microbiome under drought have been performed in arid and semiarid regions of the world, comparable studies in Central Europe are rare. This might change due to the ongoing climate crisis and expected less frequent precipitations during the vegetation season. So far, most studies that focus on acclimatization of the wheat rhizobiome to water deficit mostly consider, at best, two interacting factors, and lack to consider other biotic or abiotic drivers of rhizosphere microbial communities structure and function. Therefore, the aim of this thesis was to combine complementary analytical approaches to investigate drought-induced structural and functional changes in wheat rhizosphere bacterial communities and individual species in dependency of soil type, farming system, wheat cultivar and plant development stage, and to determine how these changes affect wheat performance as a consequence of possible climate change scenarios in Central Germany. The presented thesis starts with a general introduction and presentation of the project, followed by three consecutive chapters containing the main findings published in peer-reviewed articles. Starting with an experiment performed in the greenhouse (Chapter 1) and then moving to a realistic climate scenario under field conditions (Chapter 2 and 3), the three chapters demonstrate the sole and interacting effects of drought and farming system (Chapter 1-3), soil type and wheat cultivar (Chapter 1), as well as plant growth stages (Chapter 2 and 3) on bacterial communities and individual taxa of the wheat rhizobiome. The methods used reach from traditional cultivation and in-vitro bioassays (Chapter 3), over extracellular enzyme activity potentials (Chapter 1 and 2) to more advanced technologies such as metabarcoding (Chapter 1 and 2) and computational tools (Chapter 1 and 2), addressing single bacterial taxa as well as community level. Finalizing the thesis, a concluding synopsis compiles and critically reviews the gained results and formulates future study perspectives. In Chapter 1, we evaluated the impact of soil type (loamy vs. sandy), farming management (conventional vs. organic), wheat cultivar (non-demanding vs. demanding), and the interacting effects of these factors on wheat rhizobacterial community composition and function under extreme drought conditions. Water deficit exerted a strong pressure on rhizobacterial communities, and interacted with soil type and farming management, but not with the wheat cultivar types. In the sandy soil, we observed a strong drought-induced shift in community composition, with a decrease in species diversity and extracellulare enzyme production, while changes by drought were less prominent in the fertile loamy soil. A particular exception from this pattern was found for enzyme activities involved in carbon cycling in the sandy soil suggesting a positive plant-soil-feedback on enzyme activities by drought conditioning. In Chapter 2, two individual, but interrelated aims were pursued. First, we used the platform of the Global Change Experimental Facility (GCEF) to explore the impact of two farming practices (conventional vs. organic) and two climate treatments (ambient vs. future) on bacterial community composition and activity profiles of extracellulare enzymes involved in C,N and P cycles in the wheat rhizosphere at two different plant growth stages. The climate treatment in the GCEF had no effect on the rhizobacterial communities. Rhizobacterial community composition and functions significantly differed between vegetative and mature growth stages of the plants, in both conventional and organic farming. In a second step, we reused the data to explore further the accuracy of computational approaches, like Tax4Fun and PanFP, to predict functional profiles of bacterial communities based on 16S rDNA abundance data. To this end, we compared the measured enzyme activities with respective gene abundances in the community under different climate and farming treatments, and at the two plant development stages. This analysis revealed qualitative, but not necessarily quantitative concordances, i.e. we found effects of the different treatments on the measured enzyme activities reflected in the gene abundances. Chapter 3 is a complementary approach to Chapter 2 with a focus on individual bacterial species level. Culture-dependent methods were used to specifically isolate strong P-solubilizing bacteria from the rhizosphere of wheat, which were tested for their in-vitro drought tolerance. Among the more than 800 isolated species, Phyllobacterium, Pseudomonas and Streptomyces species dominated. While farming management and climate treatment had only minor effects on composition and functions of the isolates, the wheat growth stages had an impact, whereby a dominance of Pseudomonas species at the vegetative growth phase was replaced by dominance of Phyllobacterium species at the mature growth phase. Since P-solubilizing potential was paralleled by a high in vitro drought tolerance, Phyllobacterium species were characterized as promising plant growth promoting rhizobacteria (PGPR) of wheat under future drought conditions. In the synopsis part, we evaluated the multifactorial and multidisciplinary approaches and investigated to what extent the adaptations of bacterial communities in field and pot experiments coincided or differed. Overall, we found common and distinct adaptation processes of bacterial communities and individual species in the rhizosphere of wheat to drought, whereby single factors, but also interacting effects exerted a strong impact on these processes. This study underlines the importance of multifactorial approaches to reveal community- or species-specific plant-soil-feedbacks.:Contents 3 Preface 5 Bibliographic description 6 Zusammenfassung 9 Summary 13 Introduction 16 When extreme events become the new normal 17 Feedback to agricultural production and need for management adaptation 20 Difficulties in exploring the soil microbiome and identification of plant beneficial microbial taxa 22 Our approach with wheat 24 Bibliography 27 ֎ Chapter 1 31 Interactions Between Soil Properties, Agricultural Management and Cultivar Type Drive Structural and Functional Adaptations of the Wheat Rhizosphere Microbiome To Drought 31 Supplemental Tables 51 Supplemental Figures 55 ╬ Chapter 2 59 Can We Estimate Functionality of Soil Microbial Communities from Structure-Derived Predictions? A Reality Test in Agricultural Soils 59 Supplementary Tables 79 Supplemental Figures 84 Supplemental Material 1: 87 Variation in edaphic parameters according to experimental factors 87 Supplemental Material 2 88 Effect of abiotic soil parameters on bacterial community structure and function 88 Supplemental Material 3 90 Indicator species analysis 90 ۝ Chapter 3 95 Shifts Between and Among Populations of Wheat Rhizosphere Pseudomonas, Streptomyces and Phyllobacterium Suggest Consistent Phosphate Mobilization at Different Wheat Growth Stages Under Abiotic Stress 95 Supplementary Figures 112 Supplementary Tables 117 Synopsis 152 Multidisciplinary approaches combine advantages of cultivation-based and high throughput community-based methods 155 Multifactorial approaches to gain a more holistic understanding of plant-microbe interactions in pot experiments 157 Transferability of findings gained in the pot experiment to field conditions 159 Towards a wheat core microbiome? 161 Study limitations and outlook 163 Bibliography 164 Acknowledgements 169 Curriculum Vitae 171 Personal details 171 Education 171 Work experience 172 Research and Mentoring experience 172 Extracurricular activities 173 List of publications and Presentations 174 Publications in peer-reviewed journals: 174 Oral Presentations: 175 Poster Presentations: 175 Statutory declaration 176 Eidesstattliche Erklärung 177 Author contributions 178Weizen ist eine der weltweit am häufigsten angebauten Kulturpflanzen und trägt zur Sicherung der Nahrungsmittelproduktion in verschiedenen Regionen der Welt bei. Obwohl er fast überall angebaut werden kann, ist die Produktion durch Trockenheit limitiert. Daher rücken mehr und mehr die mikrobiellen Gemeinschaften im Boden und in der Rhizosphäre in den Mittelpunkt der modernen agrarbiologischen Forschung, um die Produktivität bei Trockenheit aufrechtzuerhalten und eine nachhaltige Produktion zu fördern. Während bereits zahlreiche Studien über die Weizenproduktion und den positiven Einfluss des Bodenmikrobioms in ariden und semiariden Regionen der Welt durchgeführt wurden, sind vergleichbare Studien in Mitteleuropa selten. Dies könnte sich aufgrund der anhaltenden Klimakrise und der zu erwartenden ausbleibenden Sommerniederschläge ändern. Dabei haben die meisten Studien, die sich mit der Akklimatisierung des Weizenrhizobioms an Wasserdefizite befasst haben, bestenfalls den Einfluss von Trockenheit und ein oder zwei weiteren biotischen oder abiotischen Einflussfaktoren, die zudem miteinander interagieren können, auf die Struktur und Funktion der mikrobiellen Gemeinschaften in der Rhizosphäre untersucht. Ziel dieser Arbeit war es daher, verschiedene komplementäre Analysemethoden zu kombinieren, um trockenheitsbedingte strukturelle und funktionelle Veränderungen in den bakteriellen Gemeinschaften und auch einzelner Arten in der Weizenrhizosphäre, in Abhängigkeit von Bodentyp, Landnutzungssystem, Weizensorte und Pflanzenentwicklungsstadium zu untersuchen, und zu ermitteln, wie sich diese Veränderungen auf die Produktivität des Weizens als Folge möglicher Szenarien des Klimawandels in Mitteldeutschland auswirken. Die vorliegende Arbeit leitet mit einer allgemeinen Einführung und Vorstellung des Projekts ein, gefolgt von drei aufeinanderfolgenden Kapiteln, die die wichtigsten Ergebnisse enthalten, die in von Fachleuten begutachteten Artikeln veröffentlicht wurden. Beginnend mit einem Experiment im Gewächshaus (Kapitel 1) und weiterführend zu einem realistischen Klimaszenario unter Feldbedingungen (Kapitel 2 und 3), beschreiben die drei Kapitel die alleinigen und interagierenden Auswirkungen von Trockenheit und Anbausystem (Kapitel 1-3), Bodentyp und Weizensorte (Kapitel 1), sowie Pflanzenwachstumsstadien (Kapitel 2 und 3) auf Bakteriengemeinschaften und einzelne Taxa des Weizenrhizobioms. Die verwendeten Methoden reichen dabei von der traditionellen Kultivierung und In-vitro-Bioassays (Kapitel 3), über extrazelluläre Enzymaktivitätspotenziale (Kapitel 1 und 2), bis hin zu fortschrittlicheren Technologien, wie Metabarcoding (Kapitel 1 und 2) und computergestützten Vorhersagen (Kapitel 1 und 2). Zum Abschluss der Arbeit werden in einer abschließenden Synopsis die gewonnenen Ergebnisse zusammengetragen und kritisch betrachtet, sowie Ideen für zukünftige Studien formuliert. In Kapitel 1 untersuchten wir die Auswirkungen des Bodentyps (lehmig vs. sandig), der Bewirtschaftung (konventionell vs. ökologisch), der Weizensorte (anspruchslos vs. anspruchsvoll) und die Wechselwirkungen zwischen diesen Faktoren auf die Zusammensetzung und Funktion der Bakteriengemeinschaft in der Rhizosphäre von Weizen unter extremen Trockenheitsbedingungen. Das Wasserdefizit übte einen starken Druck auf die Rhizosphärenbakteriengemeinschaften aus und stand in Wechselwirkung mit dem Bodentyp und der Bewirtschaftung, nicht aber mit den Weizensorten. In den Sandböden beobachteten wir eine starke trockenheitsbedingte Veränderung der Zusammensetzung der Gemeinschaft mit einem Rückgang der Artenvielfalt und der extrazellulären Enzymproduktion, während die Veränderungen durch die Trockenheit in den fruchtbaren Lehmböden weniger stark ausgeprägt waren. Eine besondere Ausnahme von diesem Muster wurde für Enzymaktivitäten gefunden, die am Kohlenstoffkreislauf im Sandboden beteiligt sind, was auf eine positive Rückkopplung zwischen Pflanze und Bodengemeinschaften unter Trockenheit hindeutet. In Kapitel 2 wurden zwei einzelne, jedoch miteinander verknüpfte Ziele verfolgt. Erstens nutzten wir die Plattform der Global Change Experimental Facility (GCEF), um die Auswirkungen von zwei Anbaupraktiken (konventionell vs. ökologisch) und zwei Klimabehandlungen (ambient vs. zukünftig) auf die Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaft und die Aktivitätsprofile extrazellulärer Enzyme, die an den C-, N- und P-Zyklen in der Rhizosphäre von Weizen beteiligt sind, in zwei verschiedenen Pflanzenwachstumsstadien zu untersuchen. Die Klimabehandlung in der GCEF hatte keinen Einfluss auf die Rhizosphärenbakteriengemeinschaften. Die Zusammensetzung und die Funktionen der Rhizosphärenbakteriengemeinschaften unterschieden sich signifikant zwischen dem vegetativen und dem generativen Wachstumsstadium der Pflanzen, sowohl im konventionellen als auch im ökologischen Landbau. In einem zweiten Schritt nutzten wir die gewonnenen Daten, um die Genauigkeit rechnerischer Ansätze wie Tax4Fun und PanFP zur Vorhersage funktioneller Profile von Bakteriengemeinschaften auf der Grundlage von 16S rDNA-Daten zu überprüfen. Zu diesem Zweck verglichen wir die gemessenen Enzymaktivitäten mit den jeweiligen Genhäufigkeiten in der Gemeinschaft unter verschiedenen Klima- und Anbaubedingungen und in den beiden Entwicklungsstadien der Pflanzen. Diese Analyse ergab qualitative, aber nicht unbedingt quantitative Übereinstimmungen, d. h. wir fanden Auswirkungen der verschiedenen Behandlungen auf die gemessenen Enzymaktivitäten, die sich auch in den Genhäufigkeiten widerspiegeln. Kapitel 3 stellt einen ergänzenden Ansatz zu Kapitel 2 dar, wobei der Schwerpunkt auf einzelnen Bakterienarten liegt. Mit kulturabhängigen Methoden wurden gezielt stark Phosphat-solubilisierende Bakterien aus der Rhizosphäre von Weizen isoliert und auf ihre In-vitro-Trockenheitstoleranz getestet. Unter den mehr als 800 isolierten Arten dominierten Phyllobacterium-, Pseudomonas- und Streptomyces-Arten. Während Anbaumanagement und Klimabehandlung nur geringe Auswirkungen hatten, wirkten sich die Wachstumsstadien des Weizens signifikant auf die Zusammensetzung und Funktionen der Isolate aus, wobei eine Dominanz von Pseudomonas-Arten in der vegetativen Wachstumsphase durch eine Dominanz von Phyllobacterium-Arten in der generativen Wachstumsphase ersetzt wurde. Da das Potenzial zur P-Solubilisierung mit einer hohen in vitro-Trockenheitstoleranz einherging, wurden Phyllobacterium-Arten als vielversprechende pflanzenwachstumsfördernde Rhizobakterien (PGPR) für Weizen unter zukünftigen Trockenheitsbedingungen charakterisiert. In der Synopsis dieser Arbeit bewerteten wir die multifaktoriellen und multidisziplinären Ansätze, und untersuchten, inwieweit die Anpassungen der Bakteriengemeinschaften in Feld- und Topfversuchen übereinstimmen oder sich unterscheiden. Insgesamt fanden wir allgemeine, aber auch differenzielle Anpassungsprozesse von Bakteriengemeinschaften und einzelnen Arten in der Rhizosphäre von Weizen an die Trockenheit, wobei einzelne Faktoren, aber auch interagierende Effekte einen starken Einfluss auf diese Prozesse ausübten. Diese Studie unterstreicht damit die Bedeutung multifaktorieller Ansätze, um gemeinschafts- oder artspezifische Rückkopplungen zwischen Pflanze und Boden zu untersuchen.:Contents 3 Preface 5 Bibliographic description 6 Zusammenfassung 9 Summary 13 Introduction 16 When extreme events become the new normal 17 Feedback to agricultural production and need for management adaptation 20 Difficulties in exploring the soil microbiome and identification of plant beneficial microbial taxa 22 Our approach with wheat 24 Bibliography 27 ֎ Chapter 1 31 Interactions Between Soil Properties, Agricultural Management and Cultivar Type Drive Structural and Functional Adaptations of the Wheat Rhizosphere Microbiome To Drought 31 Supplemental Tables 51 Supplemental Figures 55 ╬ Chapter 2 59 Can We Estimate Functionality of Soil Microbial Communities from Structure-Derived Predictions? A Reality Test in Agricultural Soils 59 Supplementary Tables 79 Supplemental Figures 84 Supplemental Material 1: 87 Variation in edaphic parameters according to experimental factors 87 Supplemental Material 2 88 Effect of abiotic soil parameters on bacterial community structure and function 88 Supplemental Material 3 90 Indicator species analysis 90 ۝ Chapter 3 95 Shifts Between and Among Populations of Wheat Rhizosphere Pseudomonas, Streptomyces and Phyllobacterium Suggest Consistent Phosphate Mobilization at Different Wheat Growth Stages Under Abiotic Stress 95 Supplementary Figures 112 Supplementary Tables 117 Synopsis 152 Multidisciplinary approaches combine advantages of cultivation-based and high throughput community-based methods 155 Multifactorial approaches to gain a more holistic understanding of plant-microbe interactions in pot experiments 157 Transferability of findings gained in the pot experiment to field conditions 159 Towards a wheat core microbiome? 161 Study limitations and outlook 163 Bibliography 164 Acknowledgements 169 Curriculum Vitae 171 Personal details 171 Education 171 Work experience 172 Research and Mentoring experience 172 Extracurricular activities 173 List of publications and Presentations 174 Publications in peer-reviewed journals: 174 Oral Presentations: 175 Poster Presentations: 175 Statutory declaration 176 Eidesstattliche Erklärung 177 Author contributions 17

Organic agricultural practice enhances arbuscular mycorrhizal symbiosis in correspondence to soil warming and altered precipitation patterns

Climate and agricultural practice interact to influence both crop production and soil microbes in agroecosystems. Here, we carried out a unique experiment in Central Germany to simultaneously investigate the effects of climates (ambient climate vs. future climate expected in 50–70 years), agricultural practices (conventional vs. organic farming), and their interaction on arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) inside wheat (Triticum aestivum L.) roots. AMF communities were characterized using Illumina sequencing of 18S rRNA gene amplicons. We showed that climatic conditions and agricultural practices significantly altered total AMF community composition. Conventional farming significantly affected the AMF community and caused a decline in AMF richness. Factors shaping AMF community composition and richness at family level differed greatly among Glomeraceae, Gigasporaceae and Diversisporaceae. An interactive impact of climate and agricultural practices was detected in the community composition of Diversisporaceae. Organic farming mitigated the negative effect of future climate and promoted total AMF and Gigasporaceae richness. AMF richness was significantly linked with nutrient content of wheat grains under both agricultural practices

Climate change and cropland management compromise soil integrity and multifunctionality

Soils provide essential ecosystem functions that are threatened by climate change and intensified land use. We explore how climate and land use impact multiple soil function simultaneously, employing two datasets: (1) observational – 456 samples from the European Land Use/Land Cover Area Frame Survey; and (2) experimental – 80 samples from Germany’s Global Change Experimental Facility. We aim to investigate whether manipulative field experiment results align with observable climate, land use, and soil multifunctionality trends across Europe, measuring seven ecosystem functions to calculate soil multifunctionality. The observational data showed Europe-wide declines in soil multifunctionality under rising temperatures and dry conditions, worsened by cropland management. Our experimental data confirmed these relationships, suggesting that changes in climate will reduce soil multifunctionality across croplands and grasslands. Land use changes from grasslands to croplands threaten the integrity of soil systems, and enhancing soil multifunctionality in arable systems is key to maintain multifunctionality in a changing climate

Impact of plant growth promoting rhizobacteria (PGPR) on stress resistance of winter wheat (Triticum aestivum L.)

Wheat is one of the worldwide most cultivated crop and highly contribute to secure food production in different world regions. Although, it grows almost ubiquitous, its production is severely vulnerable to drought. Soil and rhizosphere microbial communities associated to plants come more and more into the focus of modern agrobiology research, as a solution to maintain productivity under drought, and reinforce sustainable production. Whereas numerous studies on wheat production and the beneficial influence of the soil microbiome under drought have been performed in arid and semiarid regions of the world, comparable studies in Central Europe are rare. This might change due to the ongoing climate crisis and expected less frequent precipitations during the vegetation season. So far, most studies that focus on acclimatization of the wheat rhizobiome to water deficit mostly consider, at best, two interacting factors, and lack to consider other biotic or abiotic drivers of rhizosphere microbial communities structure and function. Therefore, the aim of this thesis was to combine complementary analytical approaches to investigate drought-induced structural and functional changes in wheat rhizosphere bacterial communities and individual species in dependency of soil type, farming system, wheat cultivar and plant development stage, and to determine how these changes affect wheat performance as a consequence of possible climate change scenarios in Central Germany. The presented thesis starts with a general introduction and presentation of the project, followed by three consecutive chapters containing the main findings published in peer-reviewed articles. Starting with an experiment performed in the greenhouse (Chapter 1) and then moving to a realistic climate scenario under field conditions (Chapter 2 and 3), the three chapters demonstrate the sole and interacting effects of drought and farming system (Chapter 1-3), soil type and wheat cultivar (Chapter 1), as well as plant growth stages (Chapter 2 and 3) on bacterial communities and individual taxa of the wheat rhizobiome. The methods used reach from traditional cultivation and in-vitro bioassays (Chapter 3), over extracellular enzyme activity potentials (Chapter 1 and 2) to more advanced technologies such as metabarcoding (Chapter 1 and 2) and computational tools (Chapter 1 and 2), addressing single bacterial taxa as well as community level. Finalizing the thesis, a concluding synopsis compiles and critically reviews the gained results and formulates future study perspectives. In Chapter 1, we evaluated the impact of soil type (loamy vs. sandy), farming management (conventional vs. organic), wheat cultivar (non-demanding vs. demanding), and the interacting effects of these factors on wheat rhizobacterial community composition and function under extreme drought conditions. Water deficit exerted a strong pressure on rhizobacterial communities, and interacted with soil type and farming management, but not with the wheat cultivar types. In the sandy soil, we observed a strong drought-induced shift in community composition, with a decrease in species diversity and extracellulare enzyme production, while changes by drought were less prominent in the fertile loamy soil. A particular exception from this pattern was found for enzyme activities involved in carbon cycling in the sandy soil suggesting a positive plant-soil-feedback on enzyme activities by drought conditioning. In Chapter 2, two individual, but interrelated aims were pursued. First, we used the platform of the Global Change Experimental Facility (GCEF) to explore the impact of two farming practices (conventional vs. organic) and two climate treatments (ambient vs. future) on bacterial community composition and activity profiles of extracellulare enzymes involved in C,N and P cycles in the wheat rhizosphere at two different plant growth stages. The climate treatment in the GCEF had no effect on the rhizobacterial communities. Rhizobacterial community composition and functions significantly differed between vegetative and mature growth stages of the plants, in both conventional and organic farming. In a second step, we reused the data to explore further the accuracy of computational approaches, like Tax4Fun and PanFP, to predict functional profiles of bacterial communities based on 16S rDNA abundance data. To this end, we compared the measured enzyme activities with respective gene abundances in the community under different climate and farming treatments, and at the two plant development stages. This analysis revealed qualitative, but not necessarily quantitative concordances, i.e. we found effects of the different treatments on the measured enzyme activities reflected in the gene abundances. Chapter 3 is a complementary approach to Chapter 2 with a focus on individual bacterial species level. Culture-dependent methods were used to specifically isolate strong P-solubilizing bacteria from the rhizosphere of wheat, which were tested for their in-vitro drought tolerance. Among the more than 800 isolated species, Phyllobacterium, Pseudomonas and Streptomyces species dominated. While farming management and climate treatment had only minor effects on composition and functions of the isolates, the wheat growth stages had an impact, whereby a dominance of Pseudomonas species at the vegetative growth phase was replaced by dominance of Phyllobacterium species at the mature growth phase. Since P-solubilizing potential was paralleled by a high in vitro drought tolerance, Phyllobacterium species were characterized as promising plant growth promoting rhizobacteria (PGPR) of wheat under future drought conditions. In the synopsis part, we evaluated the multifactorial and multidisciplinary approaches and investigated to what extent the adaptations of bacterial communities in field and pot experiments coincided or differed. Overall, we found common and distinct adaptation processes of bacterial communities and individual species in the rhizosphere of wheat to drought, whereby single factors, but also interacting effects exerted a strong impact on these processes. This study underlines the importance of multifactorial approaches to reveal community- or species-specific plant-soil-feedbacks.:Contents 3 Preface 5 Bibliographic description 6 Zusammenfassung 9 Summary 13 Introduction 16 When extreme events become the new normal 17 Feedback to agricultural production and need for management adaptation 20 Difficulties in exploring the soil microbiome and identification of plant beneficial microbial taxa 22 Our approach with wheat 24 Bibliography 27 ֎ Chapter 1 31 Interactions Between Soil Properties, Agricultural Management and Cultivar Type Drive Structural and Functional Adaptations of the Wheat Rhizosphere Microbiome To Drought 31 Supplemental Tables 51 Supplemental Figures 55 ╬ Chapter 2 59 Can We Estimate Functionality of Soil Microbial Communities from Structure-Derived Predictions? A Reality Test in Agricultural Soils 59 Supplementary Tables 79 Supplemental Figures 84 Supplemental Material 1: 87 Variation in edaphic parameters according to experimental factors 87 Supplemental Material 2 88 Effect of abiotic soil parameters on bacterial community structure and function 88 Supplemental Material 3 90 Indicator species analysis 90 ۝ Chapter 3 95 Shifts Between and Among Populations of Wheat Rhizosphere Pseudomonas, Streptomyces and Phyllobacterium Suggest Consistent Phosphate Mobilization at Different Wheat Growth Stages Under Abiotic Stress 95 Supplementary Figures 112 Supplementary Tables 117 Synopsis 152 Multidisciplinary approaches combine advantages of cultivation-based and high throughput community-based methods 155 Multifactorial approaches to gain a more holistic understanding of plant-microbe interactions in pot experiments 157 Transferability of findings gained in the pot experiment to field conditions 159 Towards a wheat core microbiome? 161 Study limitations and outlook 163 Bibliography 164 Acknowledgements 169 Curriculum Vitae 171 Personal details 171 Education 171 Work experience 172 Research and Mentoring experience 172 Extracurricular activities 173 List of publications and Presentations 174 Publications in peer-reviewed journals: 174 Oral Presentations: 175 Poster Presentations: 175 Statutory declaration 176 Eidesstattliche Erklärung 177 Author contributions 178Weizen ist eine der weltweit am häufigsten angebauten Kulturpflanzen und trägt zur Sicherung der Nahrungsmittelproduktion in verschiedenen Regionen der Welt bei. Obwohl er fast überall angebaut werden kann, ist die Produktion durch Trockenheit limitiert. Daher rücken mehr und mehr die mikrobiellen Gemeinschaften im Boden und in der Rhizosphäre in den Mittelpunkt der modernen agrarbiologischen Forschung, um die Produktivität bei Trockenheit aufrechtzuerhalten und eine nachhaltige Produktion zu fördern. Während bereits zahlreiche Studien über die Weizenproduktion und den positiven Einfluss des Bodenmikrobioms in ariden und semiariden Regionen der Welt durchgeführt wurden, sind vergleichbare Studien in Mitteleuropa selten. Dies könnte sich aufgrund der anhaltenden Klimakrise und der zu erwartenden ausbleibenden Sommerniederschläge ändern. Dabei haben die meisten Studien, die sich mit der Akklimatisierung des Weizenrhizobioms an Wasserdefizite befasst haben, bestenfalls den Einfluss von Trockenheit und ein oder zwei weiteren biotischen oder abiotischen Einflussfaktoren, die zudem miteinander interagieren können, auf die Struktur und Funktion der mikrobiellen Gemeinschaften in der Rhizosphäre untersucht. Ziel dieser Arbeit war es daher, verschiedene komplementäre Analysemethoden zu kombinieren, um trockenheitsbedingte strukturelle und funktionelle Veränderungen in den bakteriellen Gemeinschaften und auch einzelner Arten in der Weizenrhizosphäre, in Abhängigkeit von Bodentyp, Landnutzungssystem, Weizensorte und Pflanzenentwicklungsstadium zu untersuchen, und zu ermitteln, wie sich diese Veränderungen auf die Produktivität des Weizens als Folge möglicher Szenarien des Klimawandels in Mitteldeutschland auswirken. Die vorliegende Arbeit leitet mit einer allgemeinen Einführung und Vorstellung des Projekts ein, gefolgt von drei aufeinanderfolgenden Kapiteln, die die wichtigsten Ergebnisse enthalten, die in von Fachleuten begutachteten Artikeln veröffentlicht wurden. Beginnend mit einem Experiment im Gewächshaus (Kapitel 1) und weiterführend zu einem realistischen Klimaszenario unter Feldbedingungen (Kapitel 2 und 3), beschreiben die drei Kapitel die alleinigen und interagierenden Auswirkungen von Trockenheit und Anbausystem (Kapitel 1-3), Bodentyp und Weizensorte (Kapitel 1), sowie Pflanzenwachstumsstadien (Kapitel 2 und 3) auf Bakteriengemeinschaften und einzelne Taxa des Weizenrhizobioms. Die verwendeten Methoden reichen dabei von der traditionellen Kultivierung und In-vitro-Bioassays (Kapitel 3), über extrazelluläre Enzymaktivitätspotenziale (Kapitel 1 und 2), bis hin zu fortschrittlicheren Technologien, wie Metabarcoding (Kapitel 1 und 2) und computergestützten Vorhersagen (Kapitel 1 und 2). Zum Abschluss der Arbeit werden in einer abschließenden Synopsis die gewonnenen Ergebnisse zusammengetragen und kritisch betrachtet, sowie Ideen für zukünftige Studien formuliert. In Kapitel 1 untersuchten wir die Auswirkungen des Bodentyps (lehmig vs. sandig), der Bewirtschaftung (konventionell vs. ökologisch), der Weizensorte (anspruchslos vs. anspruchsvoll) und die Wechselwirkungen zwischen diesen Faktoren auf die Zusammensetzung und Funktion der Bakteriengemeinschaft in der Rhizosphäre von Weizen unter extremen Trockenheitsbedingungen. Das Wasserdefizit übte einen starken Druck auf die Rhizosphärenbakteriengemeinschaften aus und stand in Wechselwirkung mit dem Bodentyp und der Bewirtschaftung, nicht aber mit den Weizensorten. In den Sandböden beobachteten wir eine starke trockenheitsbedingte Veränderung der Zusammensetzung der Gemeinschaft mit einem Rückgang der Artenvielfalt und der extrazellulären Enzymproduktion, während die Veränderungen durch die Trockenheit in den fruchtbaren Lehmböden weniger stark ausgeprägt waren. Eine besondere Ausnahme von diesem Muster wurde für Enzymaktivitäten gefunden, die am Kohlenstoffkreislauf im Sandboden beteiligt sind, was auf eine positive Rückkopplung zwischen Pflanze und Bodengemeinschaften unter Trockenheit hindeutet. In Kapitel 2 wurden zwei einzelne, jedoch miteinander verknüpfte Ziele verfolgt. Erstens nutzten wir die Plattform der Global Change Experimental Facility (GCEF), um die Auswirkungen von zwei Anbaupraktiken (konventionell vs. ökologisch) und zwei Klimabehandlungen (ambient vs. zukünftig) auf die Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaft und die Aktivitätsprofile extrazellulärer Enzyme, die an den C-, N- und P-Zyklen in der Rhizosphäre von Weizen beteiligt sind, in zwei verschiedenen Pflanzenwachstumsstadien zu untersuchen. Die Klimabehandlung in der GCEF hatte keinen Einfluss auf die Rhizosphärenbakteriengemeinschaften. Die Zusammensetzung und die Funktionen der Rhizosphärenbakteriengemeinschaften unterschieden sich signifikant zwischen dem vegetativen und dem generativen Wachstumsstadium der Pflanzen, sowohl im konventionellen als auch im ökologischen Landbau. In einem zweiten Schritt nutzten wir die gewonnenen Daten, um die Genauigkeit rechnerischer Ansätze wie Tax4Fun und PanFP zur Vorhersage funktioneller Profile von Bakteriengemeinschaften auf der Grundlage von 16S rDNA-Daten zu überprüfen. Zu diesem Zweck verglichen wir die gemessenen Enzymaktivitäten mit den jeweiligen Genhäufigkeiten in der Gemeinschaft unter verschiedenen Klima- und Anbaubedingungen und in den beiden Entwicklungsstadien der Pflanzen. Diese Analyse ergab qualitative, aber nicht unbedingt quantitative Übereinstimmungen, d. h. wir fanden Auswirkungen der verschiedenen Behandlungen auf die gemessenen Enzymaktivitäten, die sich auch in den Genhäufigkeiten widerspiegeln. Kapitel 3 stellt einen ergänzenden Ansatz zu Kapitel 2 dar, wobei der Schwerpunkt auf einzelnen Bakterienarten liegt. Mit kulturabhängigen Methoden wurden gezielt stark Phosphat-solubilisierende Bakterien aus der Rhizosphäre von Weizen isoliert und auf ihre In-vitro-Trockenheitstoleranz getestet. Unter den mehr als 800 isolierten Arten dominierten Phyllobacterium-, Pseudomonas- und Streptomyces-Arten. Während Anbaumanagement und Klimabehandlung nur geringe Auswirkungen hatten, wirkten sich die Wachstumsstadien des Weizens signifikant auf die Zusammensetzung und Funktionen der Isolate aus, wobei eine Dominanz von Pseudomonas-Arten in der vegetativen Wachstumsphase durch eine Dominanz von Phyllobacterium-Arten in der generativen Wachstumsphase ersetzt wurde. Da das Potenzial zur P-Solubilisierung mit einer hohen in vitro-Trockenheitstoleranz einherging, wurden Phyllobacterium-Arten als vielversprechende pflanzenwachstumsfördernde Rhizobakterien (PGPR) für Weizen unter zukünftigen Trockenheitsbedingungen charakterisiert. In der Synopsis dieser Arbeit bewerteten wir die multifaktoriellen und multidisziplinären Ansätze, und untersuchten, inwieweit die Anpassungen der Bakteriengemeinschaften in Feld- und Topfversuchen übereinstimmen oder sich unterscheiden. Insgesamt fanden wir allgemeine, aber auch differenzielle Anpassungsprozesse von Bakteriengemeinschaften und einzelnen Arten in der Rhizosphäre von Weizen an die Trockenheit, wobei einzelne Faktoren, aber auch interagierende Effekte einen starken Einfluss auf diese Prozesse ausübten. Diese Studie unterstreicht damit die Bedeutung multifaktorieller Ansätze, um gemeinschafts- oder artspezifische Rückkopplungen zwischen Pflanze und Boden zu untersuchen.:Contents 3 Preface 5 Bibliographic description 6 Zusammenfassung 9 Summary 13 Introduction 16 When extreme events become the new normal 17 Feedback to agricultural production and need for management adaptation 20 Difficulties in exploring the soil microbiome and identification of plant beneficial microbial taxa 22 Our approach with wheat 24 Bibliography 27 ֎ Chapter 1 31 Interactions Between Soil Properties, Agricultural Management and Cultivar Type Drive Structural and Functional Adaptations of the Wheat Rhizosphere Microbiome To Drought 31 Supplemental Tables 51 Supplemental Figures 55 ╬ Chapter 2 59 Can We Estimate Functionality of Soil Microbial Communities from Structure-Derived Predictions? A Reality Test in Agricultural Soils 59 Supplementary Tables 79 Supplemental Figures 84 Supplemental Material 1: 87 Variation in edaphic parameters according to experimental factors 87 Supplemental Material 2 88 Effect of abiotic soil parameters on bacterial community structure and function 88 Supplemental Material 3 90 Indicator species analysis 90 ۝ Chapter 3 95 Shifts Between and Among Populations of Wheat Rhizosphere Pseudomonas, Streptomyces and Phyllobacterium Suggest Consistent Phosphate Mobilization at Different Wheat Growth Stages Under Abiotic Stress 95 Supplementary Figures 112 Supplementary Tables 117 Synopsis 152 Multidisciplinary approaches combine advantages of cultivation-based and high throughput community-based methods 155 Multifactorial approaches to gain a more holistic understanding of plant-microbe interactions in pot experiments 157 Transferability of findings gained in the pot experiment to field conditions 159 Towards a wheat core microbiome? 161 Study limitations and outlook 163 Bibliography 164 Acknowledgements 169 Curriculum Vitae 171 Personal details 171 Education 171 Work experience 172 Research and Mentoring experience 172 Extracurricular activities 173 List of publications and Presentations 174 Publications in peer-reviewed journals: 174 Oral Presentations: 175 Poster Presentations: 175 Statutory declaration 176 Eidesstattliche Erklärung 177 Author contributions 17

Organic agricultural practice enhances arbuscular mycorrhizal symbiosis in correspondence to soil warming and altered precipitation patterns

Climate and agricultural practice interact to influence both crop production and soil microbes in agroecosystems. Here, we carried out a unique experiment in Central Germany to simultaneously investigate the effects of climates (ambient climate vs. future climate expected in 50–70 years), agricultural practices (conventional vs. organic farming), and their interaction on arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) inside wheat (Triticum aestivum L.) roots. AMF communities were characterized using Illumina sequencing of 18S rRNA gene amplicons. We showed that climatic conditions and agricultural practices significantly altered total AMF community composition. Conventional farming significantly affected the AMF community and caused a decline in AMF richness. Factors shaping AMF community composition and richness at family level differed greatly among Glomeraceae, Gigasporaceae and Diversisporaceae. An interactive impact of climate and agricultural practices was detected in the community composition of Diversisporaceae. Organic farming mitigated the negative effect of future climate and promoted total AMF and Gigasporaceae richness. AMF richness was significantly linked with nutrient content of wheat grains under both agricultural practices

Organic agricultural practice enhances arbuscular mycorrhizal symbiosis in correspondence to soil warming and altered precipitation patterns

Climate and agricultural practice interact to influence both crop production and soil microbes in agroecosystems. Here, we carried out a unique experiment in Central Germany to simultaneously investigate the effects of climates (ambient climate vs. future climate expected in 50–70 years), agricultural practices (conventional vs. organic farming), and their interaction on arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) inside wheat (Triticum aestivum L.) roots. AMF communities were characterized using Illumina sequencing of 18S rRNA gene amplicons. We showed that climatic conditions and agricultural practices significantly altered total AMF community composition. Conventional farming significantly affected the AMF community and caused a decline in AMF richness. Factors shaping AMF community composition and richness at family level differed greatly among Glomeraceae, Gigasporaceae and Diversisporaceae. An interactive impact of climate and agricultural practices was detected in the community composition of Diversisporaceae. Organic farming mitigated the negative effect of future climate and promoted total AMF and Gigasporaceae richness. AMF richness was significantly linked with nutrient content of wheat grains under both agricultural practices

Biofilm forming rhizobacteria affect the physiological and biochemical responses of wheat to drought

Key points Numerous biofilm forming PGPR reside in grass rhizospheres from arid grasslands. Drought tolerance of wheat is enhanced by bacterial inoculations. Wheat variety and the level of drought stress modify the plant’s response to the bacteria

Climate change and cropland management compromise soil integrity and multifunctionality

International audienceAbstract Soils provide essential ecosystem functions that are threatened by climate change and intensified land use. We explore how climate and land use impact multiple soil function simultaneously, employing two datasets: (1) observational – 456 samples from the European Land Use/Land Cover Area Frame Survey; and (2) experimental – 80 samples from Germany’s Global Change Experimental Facility. We aim to investigate whether manipulative field experiment results align with observable climate, land use, and soil multifunctionality trends across Europe, measuring seven ecosystem functions to calculate soil multifunctionality. The observational data showed Europe-wide declines in soil multifunctionality under rising temperatures and dry conditions, worsened by cropland management. Our experimental data confirmed these relationships, suggesting that changes in climate will reduce soil multifunctionality across croplands and grasslands. Land use changes from grasslands to croplands threaten the integrity of soil systems, and enhancing soil multifunctionality in arable systems is key to maintain multifunctionality in a changing climate