Systemic Induced Root Exudation of Metabolites: A Multimodal Approach to Uncover Root Signaling Mechanisms and the Chemical Language used by Plants to Shape the Rhizosphere Microbiome

Projektbeschreibung

Signale der Wurzeln bei der Bildung des Mikrobioms im Wurzelraum

In Pflanzen wird ein großer Teil ihrer wertvollsten Elemente, wie Kohlenstoff und Stickstoff, in Form von chemisch reichen Exsudaten von den Wurzeln in den Boden abgegeben. Dies gilt als die chemische Sprache der Pflanzen, mit der sie unterirdisch mit Milliarden von Mikroorganismen kommunizieren. Aber wie steuern und manipulieren die Pflanzen Stoffwechsel und Exsudation der Wurzeln zeitlich und räumlich zu ihren Gunsten? Das EU-finanzierte Projekt SIREM will den kürzlich entdeckten Prozess der systemisch ausgelösten Wurzelexsudation von Stoffwechselprodukten (Systemic Induced Root Exudation of Metabolites – SIREM) entschlüsseln. SIREM ist ein fundamentales Merkmal von Wechselwirkungen im Wurzelraum, welche die Gesundheit der Pflanzen aufrechterhalten. Das Projekt wird die Signalpfade der SIREM nachverfolgen, den Exsudationsmechanismus und seine genetische Steuerung aufdecken sowie die Rolle der SIREM-Signale und der Stoffwechselprodukte der Exsudation bei der Bildung des Mikrobioms im Wurzelraum klären.

Ziel

The prosperity of plants and human beings is dependent on the outer layer of soil that makes up our planet’s shell. Curiously, a significant portion of plants' most precious elements, carbon and nitrogen, is secreted by roots into soil in the form of chemically-rich exudates. This is not merely 'dumping' of waste but rather the chemical language of plants, used in their underground communication with billions of detrimental and beneficial microorganisms. Yet, an important question remains to date: How do plants control and manipulate root metabolism and exudation in time and space to fine-tune this complex underground web of interactions to their benefit? The proposed project takes on this challenging question and aims to decipher the newly discovered process we term 'SIREM', for 'Systemic Induced Root Exudation of Metabolites'. SIREM is a fundamental feature of rhizosphere interactions, in which biotic stimuli occur locally and exudation in systemic parts of the root ‘conditions’ the rhizosphere environment to maintain plant fitness. SIREM objectives include: (i) dissecting the SIREM signaling pathways, focusing primarily on the mobile signal(s) and receiving proteins at the systemic root; (ii) discovery of the exudation machinery and its genetic control; and (iii) establishing the role of SIREM signaling and exudation-metabolites in shaping the rhizosphere microbiome. The unconventional integration of approaches in SIREM underscores the unique combination of our team's expertise in plant metabolism, computational biology, microbiome exploration and the application of cutting-edge analytical and molecular technologies for high-resolution spatial-temporal profiling. Outcomes of the project will have wide-ranging impacts on understanding systemic signaling and metabolic and transport systems in plants and are anticipated to drive the new biotechnological concept of 'Exudation Agriculture'.