uncorr ec ted pr oof

1 downloads 0 Views 6MB Size Report
May 21, 2018 - Celastrus orbiculatus. Celastraceae. East. Brunswick,. New Jersey. Unidentified. Root hairs,. Root epidermis,. Root cap. Coriandrum sativum.
5/21/2018

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

CHAPTER NINE

 P R

OO F

Evidence for Widespread Microbivory of Endophytic Bacteria in Roots of Vascular Plants Through Oxidative Degradation in Root Cell Periplasmic Spaces

EC TE D

James F. White Jr.1, Mónica S. Torres1, Satish Kumar Verma2, Matthew T. Elmore1, Kurt P. Kowalski3, Kathryn L. Kingsley1 1  Department of Plant Biology, Rutgers University, New Brunswick, New Jersey, USA 2  Centre of Advanced Study in Botany, Banaras Hindu University, Varanasi, UP, India

3  U.S. Geological Survey, Great Lakes Science Center, 1451 Green Road, Ann Arbor, MI, USA

9.1. INTRODUCTION

UN

CO RR

There  is  grow ing  ev i dence  that  all  plants  are  in hab ited  by  a plethora  of  mi crobes  (Stone  et  al.,  2000;  Arnold  and  Lutzoni,  2007; Rosenblueth  and  Martínez­Romero,  2006;  Magnani  et  al.,  2010; Compant  et  al.,  2010;  Johnston­Monje  and  Raizada,  2011).  These  com ­ po nents of the plant mi cro biome are both  bac te r ial  and  fun gal  and  may ex ist on plant sur faces and in te ri ors. How mi crobes in ter act with one an ­ other, and with host plants, is cur rently not well un der stood, al though we do  have  frag men tary  knowl edge.  For  ex am ple,  re search  on  in di vid ual com po nents of the mi cro biome in di cates that the mi cro biome in hab i tants may  en hance  a  host  plant’s  re sis tance  to  bi otic  and  abi otic  stresses (Kloepper, 1993;  Redman  et  al.,  2002;  Clay  et  al.,  2005;  Waller  et  al., 2005; Clarke et al., 2006; Weber et al., 2007; Kuldau and  Bacon,  2008; Rodriguez et al., 2009; Álvarez­Loayza et al., 2011;  Bacon  and  Hinton, 2011; Hamilton et al., 2012; Torres et al., 2012; Doty, 2017). These stud ­ ies  clearly  in di cate  that  the  mi cro biome  may  pos sess  some  de fen sive prop er ties that  ben e fit  plant  hosts.  There  are  also  in di ca tions  that  plant 

PGPR Amelioration in Sustainable Agriculture ISBN 978­0­12­815879­1 https://doi.org/10. 1016/ B978­0­12­815879­1. 00009­4

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

© 2019.

1

1/28

5/21/2018

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

2

James F. White et al.

UN

CO RR

EC TE D

 P R

OO F

mi cro bio mes  pos sess  nu tri tional  prop er ties  (Hurek  et  al.,  1994; Döbereiner, 1992; Döbereiner et al., 1994; James et al., 1994; Puente and Bashan,  1994;  Glick,  1995;  James  and  Olivares,  1998;  James,  2000; Reinhold­Hurek  and  Hurek,  2011).  One  such  ex am ple  is  the  phe nom e ­ non  of  “as so cia tive  ni tro gen  fix a tion”  where  en do phytic  di a zotrophic bac te ria in the mi cro biome fix ni tro gen and stim u late plant growth. Some sci en tists  posit  that  this  phe nom e non  is  re spon si ble  for  ef fi cient  plant growth in crops such as sug ar cane, rice,  wheat,  and  corn  (James,  2000; Urguiaga  et  al.,  1992;  Taulé  et  al.,  2012).  How ever,  most  re search  on plant mi cro biome nu tri tional ef fects on plant growth and de vel op ment to date has in volved ex per i ments con ducted on in di vid ual bac te ria  that  are ap plied to plants. Con se quently,  we  have  lim ited  in for ma tion  re gard ing other mi cro biome in hab i tants. Pre cisely how host plants ob tain nu tri ents from the mi crobes that col ­ o nize  them  has  long  been  an  unan swered  ques tion  (James,  2000). Paungfoo­Lonhienne  et  al.  (2010a,  b)  pro vided  the  first  ev i dence  of  a mech a nism  for  the  trans fer  of  nu tri ents  from  mi cro biome  mi crobes  to plants by demon strat ing that tomato plants and Ara bidop sis thaliana are ca pa ble of mi cro bivory through en do cy to sis and degra da tion of mi crobes within  root  cells.  Mi cro bivory  is  gen er ally  known  to  oc cur  among  het ­ erotrophic  pro to zoans  and  sim ple  an i mals  where  the  eu kary otic  con ­ sumer en gulfs and de grades bac te ria as a nu tri ent source (Mikola, 1998). More re cently, White et al. (2012) demon strated the ly sis of di a zotrophic bac te ria on sur faces of  grass  root  hairs  and  root  epi der mal  tis sues.  The process  of  ly sis  in volved,  at  least  in  part,  se cre tion  of  re ac tive  oxy gen onto bac te ria to de grade/ ox i dize bac te ria, and for that rea son the process was  termed  “ox ida tive  ni tro gen  scav eng ing.”  Col lec tively  these  stud ies sug gest that at least some plants have the ca pa bil ity to  ac quire  nu tri ents through the ly sis of mi crobes in the mi cro biome. More over,  wide spread mi cro bivory in plants for nu tri ent ac qui si tion from mi crobes could  have far reach ing con se quences. To be spe cific, un der stand ing this mech a nism could lead to the de vel op ment of new strate gies for plant cul ti va tion that use  mi crobes  as  nu tri tional  sup ple ments  in stead  of  in or ganic  fer til iz ers (Kraiser et al., 2011; Paungfoo­Lonhienne et al., 2012).

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

2/28

5/21/2018

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

3

Evidence for Widespread Microbivory of bacteria

OO F

9.2. SEEDLING SURVEY, SEED TRANSMISSION, AND BACTERIAL DISTRIBUTION IN SEEDLING TISSUES

UN

CO RR

EC TE D

 P R

Bac te ria are seed trans mit ted,  al though  it  is  dif fi cult  to  de ter mine pre cisely where bac te ria are vec tored in seeds. There are two op tions: 1. Bac te ria may be  em bed ded  on/ in  the  seed  sur face  lay ers,  per haps  in  re ­ sis tant bio­films; or 2.  Bac te ria  may  oc cur  within  seeds,  per haps  in  the em bryo it self (Frank et al., 2017; Rodríguez et al., 2017). In the  grasses rig or ous dis in fec tion ap peared to  dras ti cally  re duce  bac te ria  in  seedling root tis sues (White et al., 2015; White et al., un pub lished). This sug gests that most  of  the  bac te ria  in  these  plants  are  vec tored  on  the  sur face  of seeds (White et al., 2012). It is pos si ble that seedlings of all plant species may  also  re cruit  bac te ria  from  the  en vi ron ment.  Seedlings  grow ing  in soils may ac quire di verse re cruited en vi ron men tal bac te ria (Frank et  al., 2017; Rodríguez et  al.,  2017).  Fu ture  stud ies  will  be  needed  to  re solve ques tions of the ecolo gies of the seedling bac te ria. We  con ducted  a  sur vey  of  seedlings  of  36  species  of  plants  by  col ­ lect ing seeds from nu mer ous sources, wash ing them with con tin u ous ag i ­ ta tion  in  three  changes  of  ster ile  wa ter  (5  mintues  each  change)  to  re ­ move soil and de bris, ger mi nat ing them on agarose and stain ing them in 2.5 mM di aminoben zi dine tetra chlo ride (DAB; Sigma­Aldrich, USA) by flood ing  plates  with  the  stain  for  10–12  h.  DAB­stained  roots  were counter  stained  with  ani line  blue  and  ob served  un der  the  light  mi cro ­ scope (White et al., 2014; White et al., 2017). DAB en ables vi su al iza tion of re ac tive oxy gen pro duced  around  in tra cel lu lar  bac te ria  (White  et  al., 2014), show ing both pres ence of bac te ria and ac tion  of  re ac tive  oxy gen on them. Ani line  blue  stains  pro teins  in  bac te r ial  cy to plasm  and  shows blue­stained  bac te r ial  con tents  in  bac te ria  that  are  not  fully  ox i dized; swollen  bac te ria  with out  in ter nal  blue  stain ing  in di cates  fully  ox i dized bac te ria.  For  Poly podium  poly po di oides  young  plants  were  col lected from nat ural pop u la tions, stained, and ex am ined mi cro scop i cally. In our sur vey of seedlings, bac te ria were mostly found in root tis sues —but  were  also  some times  ob served  in  shoot  tis sues  (Table  9.1).  In roots, the bac te ria were pre sent  fre quently  in  parenchyma  and  root  hair cells lo cated in the periplas mic space be neath the  cell  walls  where  they were  seen  to  lyse  [Fig.  9.1(C–F),  Fig.  9.2(A–D),  Fig.  9.3(B),  Fig. 

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

3/28

5/21/2018

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

4

James F. White et al.

TABLE 9.1 Sur vey of plant species for ev i dence of ox i da tion/ degra da tion of bac te ria in seedling root cells Family

Origin

Bacteria isolated

Agave chrysantha

Agavaceae

Sonoran desert, AZ

Unidentified

Agave palmeri

Agavaceae

Sonoran desert, AZ

Klebsiella sp. (White et al., 2014)

Agave schottii

Agavaceae

Sonoran desert, AZ

Unidentified

Amaranthus viridis

Amaranthaceae Commercial Unidentified source, USA

Apium graveolens

Apiaceae

Brassica napus

Brassicaceae

Commercial Unidentified source, USA

Celastrus orbiculatus

Celastraceae

East Brunswick, New Jersey

Unidentified

Coriandrum sativum

Apiaceae

Commercial source, Mexico

Unidentified

Cucurbita pepo

Cucurbitaceae

Commercial Unidentified source, USA

 P R

EC TE D

Commercial Unidentified source, USA

UN

CO RR

Cells showing bacterial degradation

OO F

Species

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

Root hairs, Root epidermis, Root cap Root hairs, Root epidermis, Root cap Root hairs, Root epidermis, Root cap Root hairs, Root epidermis Root hairs, Root epidermis Root hairs, Root epidermis Root hairs, Root epidermis, Root cap Root hairs, Root epidermis, Root cap Root hairs, Root epidermis, Root cap

4/28

5/21/2018

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

5

Evidence for Widespread Microbivory of bacteria

TABLE 9.1 (Continued) Family

Origin

Bacteria isolated

Citrullus colocynthis

Cucurbitaceae

Commercial source, Nigeria

Unidentified

Cereus repandus

Cactaceae

Cynodon dactylon

Poaceae

Dahlia sp.

Asteraceae

Fallopia japonica

Polygonaceae

Fimbristylis cymosa

Cyperaceae

Festuca arundinacea

Poaceae

Hedera helix

Araliaceae

Leersia oryzoides

Poaceae

EC TE D

 P R

Root hairs, Root epidermis, Root cap Bonaire, Achromobacter Root hairs, Dutch xylosoxidans Root Antilles (White et al., epidermis, 2014) Root cap Commercial Unidentified Root hairs, source, USA Root epidermis, Root cap Commercial Bacillus sp. (Li et Root hairs, source, USA al., 2015) Root epidermis South River, Bosea thiooxidans Root hairs, New Jersey, (White et al., Root USA 2017) epidermis Bonaire, Unknown Root hairs, Dutch Root Antilles epidermis, Root cap Commercial, Pantoea Root hairs, USA agglomerans Root White et al. (2012) epidermis New Jersey, Bacillus Root hairs, USA amyloliquefaciens Root (Soares et al., epidermis 2015) New Jersey, Pantoea spp., Root hairs, USA Pseudomonas sp. Root (Verma et al., epidermis, 2017b) Root cap Commercial Bacillus sp. Root hairs, source, USA Root epidermis

CO RR

UN

Lolium perenne

OO F

Species

Cells showing bacterial degradation

Poaceae

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

5/28

5/21/2018

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

6

James F. White et al.

TABLE 9.1 (Continued) Family

Origin

Bacteria isolated

OO F

Species

Cells showing bacterial degradation

Poaceae

Poa annua

Poaceae

East Brunswick, New Jersey, USA Penn State Cultivar Selection, From David Huff Commercial source, USA

CO RR

Panicum virgatum

EC TE D

 P R

Lonicera Caprifoliaceae New Jersey, Unknown japonica USA Lycopersicum Solanaceae Commercial Acinetobacter sp., esculentum source, USA Micrococcus luteus White, (Unpublished) Moringa Moringaceae Commercial Citrobacter sp., oleifera source, USA Bacillus sp., Klebsiella sp. (White, Unpublished) Oryza sativa Poaceae Commercial Verma et al. source, USA (2017a)

Phaseolus acutifolius

Fabaceae

Phragmites australis

Poaceae

New Jersey, USA

UN

Polypodium Polypodiaceae Panama polypodioides

Burkholderia sp. (White et al., 2014) Unidentified

Root hairs

Root hairs, Root epidermis, Root cap Root hairs, Root epidermis, Root cap Root hairs, Root epidermis, Root cap Root hairs, Root epidermis Root hairs, Root epidermis, Root cap

Unidentified

Root hairs, Root epidermis, Root cap Pseudomonas Root hairs, spp., Pantoea sp. Root White et al. (2017) epidermis, Root cap Unidentified Root hairs

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

6/28

5/21/2018

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

7

Evidence for Widespread Microbivory of bacteria

TABLE 9.1 (Continued) Family

Origin

Rhus radicans

Anacardiaceae Middlesex Co., New Jersey, USA

Polygonaceae

Taraxacum officinale

Asteraceae

Triticum aestivum

Poaceae

Typha latifolia

Typhaceae

CO RR

EC TE D

Rumex crispus

Sphingomonas sp. Root hairs, (White et al., Root 2014) epidermis, Root cap Bonaire, Unidentified Root hairs, Dutch Root Antilles epidermis New Jersey, Unidentified Root hairs, USA Root epidermis, Root cap South River, Unidentified Root hairs, New Jersey, Root USA epidermis, Root cap Commercial Unidentified Root hairs, source, USA Root epidermis, Root cap New Unidentified Root hairs, Brunswick, Root New Jersey, epidermis, USA Root cap New Jersey Unidentified Root hairs, Root epidermis, Root cap Sonoran Klebsiella sp. Root hairs, desert, USA White et al. (2014) Root epidermis, Root cap

 P R

Ritterocereus Cactaceae griseus

Bacteria isolated

OO F

Species

Cells showing bacterial degradation

Ericaceae

Yucca schottii

Agavaceae

UN

Vaccinium oxycoccos

9.4(D,E), Fig. 9.5(B–E)]. Thomas  and  Reddy  (2013)  ob served  col o niza ­ tion of periplas mic spaces of sev eral lines of ba nanas (See also  Thomas and  Soly,  2009).  In  root  tis sues,  nonl ysed  bac te ria  were  of ten  lo cated closer to the root tip meris tem [Fig. 9.1(a,b)] with swelling  and  ly sis  of bac te ria more pro nounced in  cells  as  they  dif fer en ti ated  [Fig.  9.1(c–f)]. 

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

7/28

5/21/2018

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

8

CO RR

EC TE D

 P R

OO F

James F. White et al.

UN

Figure 9.1  (A–F) Cat tail (Ty pha an gus ti fo lia) seedling ger mi nated on agarose. (A) Root tip show ing pink cloud of bac te ria sur round ing the meris tem in the zone of in tra cel lu lar col o niza tion (bar = 1 mm). (B) Epi der mal cell near the root tip meris tem show ing blue­ stained bac te ria (ar rows) in the periplas mic space of the epi der mal cell. In tra cel lu lar bac ­ te ria are ev i dent as small blue specks on the plasma mem brane of the cell (bar = 10 µm). (C–E) Root axis show ing epi der mal parenchyma cells con tain ing brown  clus ters  of  ox i ­ diz ing bac te ria (ar rows) in the periplas mic space of cells. Root was stained with DAB to vi su al ize re ac tive oxy gen around ox i diz ing bac te ria (bar = 10 µm). (F) Root hair show ing in ter nal  clus ter  of  ox i diz ing  bac te ria  (ar row)  in  the  periplas mic  space;  the  tis sue  was stained with DAB to show H2O2 (brown).

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

8/28

5/21/2018

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

9

CO RR

EC TE D

 P R

OO F

Evidence for Widespread Microbivory of bacteria

UN

Figure 9.2  (A–D) Roots be long ing to species of fam ily Cu cur bitaceae show ing in ter nal ox i diz ing bac te ria. (A and B) Root cor tex cells show ing ox i diz ing bac te ria (ar rows) in the periplas mic spaces of roots of egusi melon (Cit rul lus colo cyn this) stained with DAB (bar = 10 µm). (C) Root cor tex cells show ing ox i diz ing bac te ria (ar rows) in  the  periplas mic spaces of roots of acorn squash (Cu cur bita pepo) (bar = 10 µm) stained with DAB. (D) Sloughed­off root cap cell of acorn squash seedling stained with DAB show ing ox i diz ing bac te ria (ar row) in the periplas mic space (bar = 10 µm).

This pat tern of dis tri b u tion of bac te ria may be an in di ca tion that bac te ria pro lif er ate around the root tip mer sitem of seedlings [see Fig. 9.1(a)] and col o nize  the  meris tem atic  cells  [Fig.  9.1(b)]  where  cell  walls  are  rel a ­ tively un de vel oped. Bac te ria that pro lif er ate in root and  shoot­tip  meris

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

9/28

5/21/2018

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

10

CO RR

EC TE D

 P R

OO F

James F. White et al.

UN

Figure 9.3  (A–F) Eng lish Ivy (Hed era he lix) show ing root hairs with in tra cel lu lar bac ­ te ria. (A) Root  of  Eng lish  ivy  prop a gated  in  the  lab o ra tory  from  cut tings  then  stained with DAB to show high re ac tive oxy gen ac tiv ity (brown col oration) in the  lat eral  roots (ar rows) that bear nu mer ous root hairs (bar = 1 cm). (B) Root hair ini tial (ar row) show ing high re ac tive oxy gen ac tiv ity (brown col oration) and in ter nal ox i diz ing spher i cal bac te ria (bar = 10 µm). (C) Root hair ini tials (ar row) show ing nu mer ous in ter nal bac te ria (bar = 10 µm). (D) Root hair ini tial show ing bac te r ial L­forms (ar row) ex it ing hair at the tip (bar = 10 µm). (E) Root hair  ini tial  show ing  nu mer ous  in ter nal  bac te ria  (black  ar row)  clus ­ tered in the periplas mic space at the hair tip (bar = 10 µm). Exit pores (white ar rows) are vis i ble in wall at the hair tip. (F) Root hair show ing bac te ria (ar row) be neath the wall at the hair tip (bar = 10 µm).

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

10/28

5/21/2018

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

11

CO RR

EC TE D

 P R

OO F

Evidence for Widespread Microbivory of bacteria

UN

Figure 9.4  (A–F) Poi son Ivy (Rhus rad i cans). (A) Seedling of Rhus rad i cans grow ing on agarose show ing char ac ter is tic red roots (ar row) (bar = 1 cm). (B) Roots grow ing in agarose show ing nu mer ous root hairs (ar row) (bar = 1 mm). (C) Root hair (ar row) show ­ ing gran u lar ap pear ance in ter nally due to in ter nal bac te ria (bar = 10 µm). (D). Root hair stained with DAB show ing bac te ria (ar row) in a vesi cle sur rounded by red to brown ring of re ac tive oxy gen (bar = 10 µm). (E) Root axis parenchyma cell show ing ox i diz ing bac ­ te r ial L­forms (ar row) in the periplas mic space (bar = 10 µm). (F) Sloughed­off root cap cell show ing bac te ria (ar rows) in ter nally (bar = 10 µm).

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

11/28

5/21/2018

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

12

CO RR

EC TE D

 P R

OO F

James F. White et al.

UN

Figure  9.5   (A–E)  Corn  (Zea  mays)  root  cells  stained  with  DAB  and  ani line  blue  to show in ter nal bac te ria. (A) Sloughed­off  root  cap  cells  of  mod ern  white  corn  seedling show ing ab sence of in ter nal bac te ria in the periplas mic space of cells (bar = 10 µm). (B) Root cap cells from trop i cal corn seedling show ing bac te ria (ar rows) in  vesi cles  with  a ring of re ac tive oxy gen (red dish ring) sur round ing bac te r ial cells (bar = 10  µm).  (C–E) Root epi der mal parenchyma cells from trop i cal corn seedling stained with DAB show ing ox i diz ing bac te ria (ar rows) in cells (bar = 15 µm).

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

12/28

5/21/2018

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

13

Evidence for Widespread Microbivory of bacteria

OO F

tems are dis trib uted in all parts of the plant;  when  plants  pro duce  fruits they may be col o nized by the en dosym bi otic bac te ria.

9.3. EVIDENCE FOR MICROBIVORY IN DIVERSE VASCULAR PLANT FAMILIES

CO RR

EC TE D

 P R

In  our  sur vey,  we  found  ev i dence  of  in tra cel lu lar  bac te ria  in  all species ex am ined [Table 9.1; Fig. 9.1(B–F), Fig. 9.2(A–D), Fig.  9.3(B), Fig. 9.4(D, E),  Fig.  9.5(B–E)],  in clud ing  some  36  species  of  plants  dis ­ trib uted  in  20  fam i lies  of  vas cu lar  plants.  Ferns  and  seed  plants  were found to in ter nal ize and ox i dize bac te ria in root cells. In all species, bac ­ te ria ap peared to in ter nal ize in root cells  at  root  tip  meris tem  as  walled cells,  only  to  be come  wall­less  L­forms  once  in side  the  periplas mic space  be tween  plant  cell  wall  and  plasma  mem brane  [Fig.  9.2(A–D)]. Even aer ial roots of vines, in clud ing Eng lish Ivy (Hed era he lix) and Poi ­ son  Ivy  (Rhus  rad i cans),  were  seen  to  in ter nal ize  and  ox ida tively­de ­ grade  bac te ria  within  root  cells  [Fig.  9.3(A–F),  Fig.  9.4(A–F)].  An  ex ­ cep tion was white corn (Zea mays), a mod ern corn hy brid, where ex am i ­ na tion  of  seedlings  did  not  re veal  abun dant  bac te r ial  in ter nal iza tion  in root  cells  [Fig.  9.4(f)].  How ever,  trop i cal  corn  (Zea  mays)  and  In dian corn  (Zea  mays),  both  less  in ten sively  se lected  than  mod ern  hy brids, were  found  to  con tain  abun dant  bac te ria  in  seedling  root  cells  [Fig. 9.5(B–E)]. It could be that the  high  de pen dence  of  mod ern  hy brid  corn va ri eties on in or ganic fer til iz ers  may  be  the  re sult  of  the  loss  of  sym bi ­ otic bac te ria that func tion carry nu tri ents into plants.

9.4. NUCLEAR COLONIZATION

UN

Bac te ria  re sisted  degra da tion  longer  when  they  en tered  nu clei  of plant cells. Lysed bac te ria were  fre quently  found  in  cell  cy to plasm  just out side the nu clear en ve lope [Fig.  9.5(c)]  and  in tact  bac te ria  within  the nu clei.  It  is  pos si ble  that  bac te ria  sur vive  longer  within  nu clei  be cause the nu cleus is an  area  of  the  cell  where  re ac tive  oxy gen  lev els  are  low and ly sis gen er ally does not oc cur. Pos si bly, bac te ria may pro duce nu cle ­ o mod ulins  to  con trol  gene  ex pres sion  of  the  cell  to  re duce  ox ida tive processes or al ter ac tiv i ties of the cell in a way that fa vors the  en dosym ­ bi otic bac te ria (Bierne and Cossart, 2012). For ex am ple, nu cle o mod ulins are  pro duced  by  Agrobac terium  tume fa ciens,  an other  species  of  Pro

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

13/28

5/21/2018

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

14

James F. White et al.

 P R

OO F

teobac te ria. Nu clear col o niza tion also oc curs in pro to zoans where al pha­ Pro teobac te ria of the fam ily Holospo raceae are phago cy tized by the host pro to zoan  and  trans ported  to  the  nu cleus  where  bac te ria  mul ti ply.  Nu ­ clear col o niza tion by bac te ria was also de scribed in the sym bi otic sys tem in volv ing  en donu clear  beta­Pro teobac te ria  and  the  di nofla ge late  Gy ro ­ dinium in s tria tum (Alverca et al., 2002). In this sys tem, di vid ing bac te ria were ob served in the nu cleus. In tra­nu clear bac te ria were re leased to the cy to plasm where they were of ten de graded (Alverca et al., 2002). These au thors also pro posed that nu clear col o niza tion was a strat egy to  es cape di ges tion  that  oc curred  in  the  cy to plasm  of  the  alga.  It  is  pos si ble  that bac te ria in root cells may en ter nu clei as a way to es cape re ac tive oxy gen degra da tion that oc curs on host cell mem branes in the cy to plasm.

EC TE D

9.5. BACTERIAL MOVEMENT IN PLANT CELLS

UN

CO RR

Re search on the Holospo raceae sug gests that the  bac te ria  are  able to move through the host cell’s cy to plasm to the nu cleus through use of actin fil a ments (Sabaneyeva et al., 2009). How ever, this mech a nism may not be uni ver sal for in tra cel lu lar bac te ria. In mak ing ob ser va tions on  un ­ stained  liv ing  seedling  roots  of  the  sedge  Fim bristylis  cy mosa  and  the grass  Fes tuca  arun d i nacea  move ment  of  bac te ria  was  ob served  within root  hairs.  Bac te ria  lo cated  in  the  periplas mic  space  ap peared  to  flow along the length of root hairs. The rate of flow was 8–11 µm/ sec ond for the  sedge  F.  cy mosa.  This  move ment  may  have  been  due  to  cy clo sis within the root hairs. Paungfoo­Lonhienne et al. (2010a, b) also re ported move ment of in tra cel lu lar mi crobes in root hairs of A. thaliana. Bac te r ial move ment was not ob served in  stained  seedlings  since  stains  DAB  and ani line  blue  with  lac tophe nol  gen er ally  stopped  cy clo sis  in  cells.  It  is likely that move ment within cells is the norm for  the  in tra cel lu lar  bac te ­ ria. This in tra cel lu lar move ment may per mit the bac te ria to spread to all parts of  the  host  cell.  Con stant  move ment  of  in tra cel lu lar  bac te ria  may also re duce the ef fects of re ac tive oxy gen  and  lysing  en zymes  on  bac te ­ ria.

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

14/28

5/21/2018

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

15

Evidence for Widespread Microbivory of bacteria

9.6. BACTERIAL COLONIZATION OF SEEDLING ROOTS OF PANICUM VIRGATUM

CO RR

EC TE D

 P R

OO F

Ex per i ments  were  con ducted  to  eval u ate  col o niza tion  of  seedling roots  us ing  a  strain  of  Burk holde ria  glad i oli  iso lated  from  ger mi nat ing seedlings of Pan icum vir ga tum (White et al., 2014). Through sur face dis ­ in fec tion seeds free of, or with re duced lev els, of bac te ria were ob tained with which we con ducted seedling in fec tion ex per i ments. On in oc u la tion of  seedlings  with  bac te r ial  sus pen sions  col o niza tion  of  seedling  roots was ob served. This was ac com pa nied by a shape change in the struc ture of  bac te ria  from  rod­  to  sphere­shaped  (White  et  al.,  2014).  Paungfoo­ Lonhienne et al. (2010a, b) in a study of Es cherichia coli en try into Ara ­ bidop sis  seedlings  found  that  en try  into  cells  was  ac com pa nied  by  up­ reg u la tion  of  the  plant  cell  wall­re lated  en zymes,  in clud ing  ex pansins, cel lu lases,  pecti nases,  xy loglu can  en do trans g ly cosi dases,  and  cel lu lose syn thases. In volve ment of host en zymes in the en try of bac te ria into cells sug gests that plant cells are en gag ing in phago cy to sis to ac quire bac te ria. How ever,  it  is  also  pos si ble,  at  least  in  some  cases,  that  the  bac te ria them selves pro duce cell wall  loos en ing  and  de grad ing  en zymes  to  col o ­ nize  the  in te rior  of  plant  cells.  Other  sym bi otic  bac te ria  are  thought  to en ter  plant  cells  us ing  their  own  cell  wall  de grad ing  en zymes. Kovtunovych et al.  (1999)  demon strated  that  the  ca pac ity  of  Kleb siella oxy toca to en do phyt i cally col o nize wheat  plants  cor re lated  with  its  abil ­ ity to pro duce pecti nases. Compant et al. (2005) demon strated that Burk ­ holde ria sp. re quired use of cell wall de grad ing en zymes en doglu conase and poly galac tur onase to in ter nally col o nize grapes.

9.7. CHANGE IN BACTERIAL SHAPE

UN

The change of cell shape from rod­like to spher i cal  for  Burk holde ­ ria cells col o niz ing seedling roots of P. vir ga tum is likely the re sult of in ­ ter ac tion  be tween  the  plant  and  bac terium  (Beran  et  al.,  2006).  Shape trans for ma tions  also  oc cur  in  bac te ria  that  in tra cel lu larly  col o nize  an i ­ mals (Beran et al., 2006). The spher i cal, of ten in tra cel lu lar, forms are re ­ ferred to as L­forms or cell wall de fi cient forms (Beran et al., 2006). L­ forms  of  bac te ria  are  found  in  healthy  in testi nal  tracts  of  an i mals  and have been im pli cated as causal agents of hu man dis eases such as Crohn’s 

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

15/28

5/21/2018

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

16

James F. White et al.

EC TE D

 P R

OO F

dis ease,  ul cer a tive  col i tis,  Sar coido sis,  pul monary  tu ber cu lo sis, Hodgkin’s dis ease, and sev eral other hu man dis eases (Wall et al.,  1993; Beran et al., 2006). Bac te ria lose their cell walls due to loss of struc tural wall com po nents,  re sult ing  in  spher i cal  bac te r ial  cells.  It  has  also  been sug gested  that  bac te ria  form  L­forms  in  or der  to  evade  host  de fenses (Beran et al., 2006). In plants, ar ti fi cially gen er ated L­forms of bac te ria have been  shown to en ter seedling root tis sues and es tab lish in tra cel lu lar sym bi otic growth (Amijee et al., 1992; Daulagala and Allan, 2003). In sev eral plants es tab ­ lish ment  of  en dosym bi otic  L­forms  of  bac te ria  re sulted  in  en hanced  re ­ sis tance  to  a  range  of  plant  pathogens,  al though  the  mech a nism  of  en ­ hanced re sis tance has not been clar i fied (Amijee et al., 1992). The ma jor ­ ity of the in tra cel lu lar bac te ria we  ob served  in  seedlings  were  spher i cal forms (Table 9.1). When bac te ria were iso lated from seedlings they were in vari ably  rod  forms  in  cul ture.  Re ver sion  to  the  walled  cell  shape  is com mon  when  L­forms  are  iso lated  onto  nu tri ent  me dia  (Beran  et  al., 2006).

9.8. EVIDENCE FOR INCREASED NITROGEN ASSIMILATION BY BACTERIA IN PLANTA

UN

CO RR

Re search  on  ni tro gen  fix a tion  by  di a zotrophic  bac te ria  ap plied  to plant tis sues has im pli cated roots rather than shoots as the lo ca tion where ni tro gen  fix a tion  (nif)  genes  are  ex pressed  in  bac te ria,  sug gest ing  that bac te ria as so ci ated with roots are ac tive in ni tro gen fix a tion (Hurek et al., 1997;  Rosenblueth  and  Martínez­Romero,  2006).  Soares  et  al.  (2016) con ducted  15  N  gas­track ing  ex per i ments  us ing  plants  of  Phrag mites aus tralis with and with out ad di tion of en do phytic bac te ria and  sim i larly found  that  in creased  ni tro gen  as sim i la tion  into  roots  trans lated  into  in ­ creased  plant  growth,  while  in creased  as sim i la tion  into  leaves  was  not ac com pa nied by in creased growth. Whether the nat u rally­oc cur ring in tra ­ cel lu lar bac te ria in seedling roots are ac tive in ni tro gen fix a tion is yet to be de ter mined. It seems ev i dent based on our ob ser va tions  and  those  of oth ers that some of the nu tri ents ac quired by vas cu lar plants are ac quired through  ly sis  of  bac te ria  that  be come  in tra cel lu lar  in  roots  (Beltrán­ García et al., 2014).  Re search  by  Paungfoo­Lonhienne  et  al.  (2010a)  is sug ges tive of a mech a nism in plants whereby they are adapted to ob tain nu tri ents from in tra cel lu lar bac te ria. These in ves ti ga tors found that in A. 

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

16/28

5/21/2018

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

17

Evidence for Widespread Microbivory of bacteria

CO RR

EC TE D

 P R

OO F

thaliana ex po sure of seedling roots to nu cleic acids  turns  on  a  path way that en ables plants to ob tain ni tro gen from pro teins (Paungfoo­Lonhienne et  al.,  2010a).  White  et  al.  (2012)  pre vi ously  re ported  that  bac te ria  are de graded on sur faces of grass roots through the ac tion of re ac tive oxy gen se creted from root tis sues onto bac te ria.  One  of  the  early  ef fects  of  sur ­ face ox i da tion of bac te ria was re lease of the nu cleic acids from bac te r ial cells. Nu cleic acids dif fused  from  bac te ria  and  ad hered  to  the  root  hair sur face sur round ing the lysing bac te ria (White et al., 2012). Nu cleic acid re lease from bac te ria could be a  sig nal  to  plant  cells  to  up­reg u late  pro ­ teases  and  other  cel lu lar  pro tein  degra da tion  sys tems.  Paungfoo­ Lonhienne et al. (2008) also demon strated that A. thaliana pos sessed pro ­ te olytic  en zymes  that  de grade  pro tein  on  root  sur faces  and  ac tively  en ­ gage in en do cy to sis  of  pro tein  par ti cles.  Beltrán­García  et  al.  (2014)  la ­ beled  en do phytic  bac te ria  with  15  N  iso tope  then  wa tered  Agave  tequi ­ lana  plants  with  a  sus pen sion  of  vi able  15N­la beled  bac te ria  or  heat­ killed 15N­la beled bac te ria and found that plants were able to as sim i late 15N­labled ni tro gen from liv ing en do phyic bac te ria with a much greater ef fi ciency  than  from  heat­killed  bac te ria.  Paungfoo­Lonhienne  et  al. (2010a,  b,  2013)  de nom i nated  the  phe nom e non  of  in ter nal iza tion  and degra da tion of mi crobes in cells of roots “rhi zophagy” or “root eat ing” to re flect  the  con cept  that  roots  ac quire  nu tri ents  through  a  mi cro bivory process.

9.9. THE LYSIS PROCESS

UN

Con sis tent  ob ser va tion  of  H2O2  ac tiv ity  in  and  around  de grad ing in tra cel lu lar  bac te ria  in  seedling  root  tis sues  sug gests  that  re ac tive  oxy ­ gen species (ROS) play an im por tant role in the ly sis process. In a study of  bac te r ial  ly sis  on  sur faces  of  seedling  roots  of  F.  arun d i naceae  we pro posed that se creted ROS and plant pro teases func tioned to lyse bac te ­ ria and their pro tein con tents to pro vide ni troge nous nu tri ents, a process we termed “ox ida tive ni tro gen scav eng ing”  to  em pha size  ac qui si tion  of ni tro gen from the process (White et al., 2012). The way that we en vi sion this  process  to  func tion  in  in tra cel lu lar  bac te ria,  or  bac te ria  in  the periplas mic spaces of cells, is that ROS, in clud ing  su per ox ide  pro duced by NADPH ox i dases on  the  plant  cell  plasma  mem brane,  or  other  host mem branes, is se creted into the vesi cles con tain ing  bac te ria,  or  into  the de pres sions  in  the  plasma  mem brane  con tain ing  bac te ria  (White  et  al., 

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

17/28

5/21/2018

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

18

James F. White et al.

CO RR

EC TE D

 P R

OO F

2018). The mem branes of plant cells are pro tected from ROS by  sterols that pre vent pas sage of re ac tive oxy gen into the root cell it self (White et al., 2018). ROS de na tures bac te r ial walls and mem branes and en ters bac ­ te r ial cells, dam ag ing pro teins and  nu cleic  acids  and  caus ing  frag men ta ­ tion  of  nu cleic  acids  that  re sults  in  dif fu sion  of  nu cleic  acid  frag ments from  the  bac terium  into  the  host  cell’s  cy to plasm  (Kocha  et  al.,  1997; Cabiscol et al., 2000). This is con sis tent with the ob ser va tions we  made on de grad ing bac te ria on sur faces of, and within grass seedling root hairs (White et al., 2012). Nu cleic acid frag ments may act as sig nal mol e cules to  stim u late  the  plant  cell  to  se crete  pro te olytic  en zymes  into  vac uoles where  pro tein  dis ar tic u la tion  is  com pleted  (Paungfoo­Lonhienne  et  al., 2010a). Oligopep tides may  then  dif fuse  into  the  cy to plasm  where  dis ar ­ tic u la tion is com pleted. The ba sic mech a nism for  pro tein  degra da tion  is likely to be sim i lar to the au tophagy process that is pre sent in all eu kary ­ otes (Xiong et al., 2007). Au tophagy is the  process  whereby  eu kary otes de grade their own pro teins that have been dam aged through ox i da tion. In plants, au tophagy gen er ally oc curs in vac uoles (Xiong et al., 2007). The au tophagy  process  seems  con sis tent  with  our  ob ser va tions  in  seedling roots where bac te ria in vesi cles were first ox i dized, re sult ing in en hanced pro tein stain ing us ing ani line blue stain, then a grad ual loss of ca pac ity to stain  us ing  ani line  blue  due  to  degra da tion  of  pro teins.  In  our  sur vey (Table  9.1),  we  fre quently  ob served  the  fu sion  of  smaller  vesi cles  to form larger vesi cles or vac uoles. Ul ti mately, these  bac te r ial  degra da tion vac uoles may be come part of the cen tral vac uole of the plant cell where au tophagy in more ma ture cells gen er ally oc curs.

9.10. MICROBIVORY AS A DEFENSE FROM PARASITISM BY ENDOPHYTIC BACTERIA

UN

It  seems  log i cal  that  mi cro bivory  in  vas cu lar  plant  roots  is  a  de ­ fense mech a nism against in tra cel lu lar in vad ing bac te ria. This idea is con ­ sis tent with our cur rent un der stand ing of how eu kary otic cells em ploy re ­ ac tive oxy gen as de fense against pathogens. In an i mals, re ac tive oxy gen is  in volved  in  the  killing  and  degra da tion  of  phago cytic  leuko cytes (Robinson, 2008). In leuko cytes, the killing and degra da tion by hy dro gen per ox ide  re sults  from  the  for ma tion  of  more  po tent  ROS,  in clud ing  hy ­ droxyl rad i cals, sin glet oxy gen, and ozone (Robinson, 2008). It is known that plants also se crete re ac tive oxy gen (su per ox ide) de fen sively  in  “ox

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

18/28

5/21/2018

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

19

Evidence for Widespread Microbivory of bacteria

UN

CO RR

EC TE D

 P R

OO F

ida tive bursts” at sites of pathogen col o niza tion (Lamb and Dixon, 1997). ROS pro duc tion as a re sult of pathogen col o niza tion is known to have a di rect  ef fect  in  killing  mi cro bial  pathogens  (Lamb  and  Dixon,  1997). This  model  pro poses  that  bac te ria  are  at  least  weakly  path o genic  to seedlings. The in va sion of nu clei by  bac te ria  and  the  po ten tial  for  neg a ­ tive ef fects on host nu cleic acids seems con sis tent with this idea. Cur rent re search sug gests that mi cro bivory in vas cu lar plant seedlings may func tion to sup ple ment with nu tri ents of all types needed for growth and  de vel op ment.  This  hy poth e sis  de mands  that  we  view  plants  as mixotrophs.  In  sup port  of  this  idea,  there  are  an  in creas ing  num ber  of stud ies that sug gest that green plants  are  in  fact  mixotrophic,  si mul ta ne ­ ously au totroph and het erotroph. Sev eral species of Or chi daceae and Er i ­ caceae  have  been  shown  to  re ceive  car bon  from  my c or rhizal  fungi (Tedersoo et  al.,  2007;  Selosse  and  Roy,  2008).  There  is  ev i dence  that plants se crete  pro teases  and  ab sorb  and  de grade  or ganic  forms  of  ni tro ­ gen,  in clud ing  amino  acids,  oligopep tides,  and  pro teins  (Matsubayashi and Sakagami, 1996; Godlewski and Adamczyk, 2007; Kamarova et al., 2008; Jamtgard et al., 2008; Paungfoo­Lonhienne et al., 2008; Hill et al., 2011)  and  that  plants  may  con sume  mi crobes  (Paungfoo­Lonhienne  et al., 2010a, b; White et al., 2012, 2017). From an eco log i cal per spec tive it is also ap par ent that in some soils in arc tic, alpine, and taiga ecosys tems the an nual plant de mand for ni tro gen far ex ceeds the sup ply of in or ganic ni tro gen in  the  soil  (Kielland,  1994;  Näsholm  et  al.,  2009)  and  thus  or ­ ganic  forms  of  ni tro gen  are  likely  used,  or  they  are  con verted  to  in or ­ ganic forms to sup port plant growth. Fur ther, there is the phe nom e non of car nivory in plants, in clud ing venus fly traps, pitcher plants, and sun dews that evolved to cap ture  and  de grade  in sects  and  small  an i mals  (Chia  et al., 2004; Galek et al., 1990). These plants have evolved  to  cap ture  and de grade in sects, a rel a tively com plex  nu tri ent  source.  For  plants,  lysing bac te ria pro vides  a  sim ple  nu tri ent  source:  Bac te r ial  walls  are  thin  and they are eas ily degrad able rich sources of nu tri ents. It seems rea son able to hy poth e size  that  plants  ob tain  some  nu tri ents through mi cro bivory. One of the func tions of the plant mi cro biome may be to  pro vide  nu tri ents  to  plants.  Pre cisely  how  im por tant  are  the  nu tri ­ ents de rived from mi cro bivory to fuel plant de vel op ment has rarely been es ti mated, but likely de pends on the plant species and growth stage of the plant. White et al. (2015) con ducted an ex per i ment to  es ti mate  rhi zobac ­ te r ial con tri bu tion to grass  seedling  nu tri ent  up take.  In  this  ex per i ment, White  et  al.  (2015)  la beled  bac te ria  with  iso topic  15N,  ex tracted  their 

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

19/28

5/21/2018

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

20

James F. White et al.

CO RR

EC TE D

 P R

OO F

pro teins, and in cor po rated the la beled pro teins  into  agarose.  Tall  fes cue (F. arun d i naceae) seedlings with and  with out  their  na tive  seed  bac te ria were grown on the la beled pro teins, then  shoots  were  as sessed  for  15N con tent. Seedlings bear ing the na tive en do phytic rhi zobac te ria con tained ap prox i mately 30% more of the  la beled  ni tro gen  than  those  that  lacked the  seed­trans mit ted  rhi zobac te ria.  This  ex per i ment  sug gests  that  as much as 30% of the nu tri ents ob tained by plants could come from mi cro ­ bivory­ or rhi zophagy. The un cer tainty in this study and the fu ture  need is to  de ter mine  how  much  of  the  nu tri ents  ab sorbed  by  plants  come  di ­ rectly from degra da tion of the bac te ria, and how much comes from ac tiv ­ i ties of the liv ing bac te ria on root sur faces or sur round ing roots in lib er a ­ tion of nu tri ents that may then be ab sorbed by roots. Plant phloem­feed ing in sects of or der Ho moptera have been shown to pos sess  en dosym bi otic  mi crobes  (Pro teobac te ria)  within  their  bod ies. These Pro teobac te ria are in tra cel lu lar  “bac te ri o cytes”  and  they  mul ti ply and  de grade  in  time  to  pro vide  pro teins  and  other  nu tri ents  for  the  in ­ sects. Mul ti ple species of Pro teobac te ria are some times pre sent within in ­ sects where they are re ferred to as ‘en dosym bi otic sys tems’ (Koga et al., 2013; Sloan and Moran, 2012). Sim i larly, we hy poth e size that the bac te ­ ria  in  plant  seedlings  con sti tute  “nu tri tional  en dosym bi otic  sys tems”  of plants that are used as sources of sup ple men tal nu tri ents at times and  in cir cum stances when suf fi cient nu tri ents can not be ex tracted from soils.

9.11. THE “RHIZOPHAGY CYCLE” OR “RHIZOPHAGY SYMBIOSIS”

UN

Re cent ex per i ments have sug gested that plants carry on and within their seeds small com mu ni ties of  bac te ria  that  func tion  in  a  rhi zophagy cy cle (White et al.,  2017;  Irizarry  and  White,  2017).  In  the  rhi zophagy cy cle, plants ob tain nu tri ents from  bac te ria  that  al ter nate  be tween  an  in ­ tra cel lu lar/ en do phytic  phase  and  a  free­liv ing  soil  phase  (Verma  et  al. 2017a, b; Prieto et al., 2017; White et al., 2018). Bac te ria ac quire soil nu ­ tri ents in the free­liv ing soil phase; nu tri ents are ex tracted from  bac te ria ox ida tively  in  the  in tra cel lu lar/ en do phytic  phase  (Verma  and  White, 2018). In the rhi zophagy cy cle plants ma nip u late sym bi otic bac te ria—us ­ ing them as trans porters of soil nu tri ents—then in duce them to en ter into root cell periplas mic spaces at the meris tem tip (White et al. 2017; White et al., 2018); here they ex tract nu tri ents from bac te ria through ox i da tion/

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

20/28

5/21/2018

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

21

Evidence for Widespread Microbivory of bacteria

9.12. CONCLUSIONS

 P R

OO F

  egra da tion and fi nally  plants  de posit  the  sur viv ing  bac te ria,  ex hausted d of their nu tri ents back into the rhi zos phere, ex it ing from the tips of elon ­ gat ing root hairs (White et al., 2017). The rhi zophagy cy cle could re sult in mo bi liza tion of many nu tri ents (or ganic and in or ganic)  from  soils  by bac te ria and re sult  in  in creased  nu tri ent  ac qui si tion  by  plants  (Prieto  et al.,  2017).  Con sid er ing  the  close  and  con sis tent  as so ci a tion  of  bac te ria with  plants  as  en do phytes,  it  is  rea son able  that  plants  would  de velop ways to ex tract nu tri ents from sym bi otic bac te ria (White et al., 2018).

UN

CO RR

EC TE D

Pre vi ous  re search  (e.g.,  Paungfoo­Lonhienne  et  al.,  2010a,  b; White et al., 2012, 2017) and our seedling sur vey (Table 9.1) sug gest that rhi zophagy is wide spread in vas cu lar plants. It is un known whether some plants rely  more  heav ily  than  oth ers  on  rhi zophagy  to  ob tain  nu tri ents. Large  dif fer ences  be tween  species  and  cul ti vars  were  ob served  in  the amounts of ox i diz ing bac te ria ev i dent in seedling  roots  (Table  9.1).  Dif ­ fer ences  were  no table  in  bac te r ial  con tent  of  seedling  roots  of  mod ern white corn, where in tra cel lu lar bac te ria  were  not  ob served,  and  trop i cal corn, where roots con tained abun dant in tra cel lu lar bac te ria. These dif fer ­ ences could re flect pres ence  or  ab sence  of  seed­vec tored  sym bi otic  bac ­ te ria that par tic i pate in rhi zophagy sym bio sis. Pres ence of bac te r ial en do ­ phytes that par tic i pate in rhi zophagy sym bio sis could  ex plain  why  trop i ­ cal corn does not re quire high fer til izer in puts while mod ern hy brid corn de pends  on  fer til izer  in puts.  Crop  plants  such  as  Moringa  oleifera  and egusi  melon  (Cit rul lus  colo cyn this)  that  are  high  in  pro teins  and  other nu tri ents (Juliani et al., 2010; Akubundu et al., 1982) could rely on bac te ­ ria in volved in rhi zophagy sym bio sis  to  scav enge  nu tri ents  in  soils  and carry them back to plants where  they  may  be  ex tracted  ox ida tively  and ab sorbed into root cells. Be cause the rhi zophagy cy cle in volves bac te ria that are ox i dized within roots,  plants  that  are  ac tively  in volved  in  a  rhi ­ zophagy sym bio sis not only ac quire nu tri ents but they also may up­reg u ­ late genes for ox ida tive stress re sis tance and con se quently are re sis tant to abi otic and bi otic stresses (White and Torres, 2010). We are only just be ­ gin ning to rec og nize rhi zophagy sym bio sis  and  many  top ics  need  to  be ad dressed. For ex am ple, some ques tions  in clude:  Are  there  nu tri ent  spe ­ cial ists  among  the  sym bi otic  bac te ria  that  are  bet ter  a  trans port ing  to plants par tic u lar nu tri ents? How much of the nu tri ents ab sorbed by plants 

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

21/28

5/21/2018

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

22

James F. White et al.

CO RR

EC TE D

 P R

OO F

comes  di rectly  from  in ter nal  mi crobe  degra da tion;  how  much  comes from ac tiv i ties of the mi crobes in the rhi zos phere in lib er at ing soil  nu tri ­ ents that are  ab sorbed  by  roots?  Are  there  bac te ria  that  cause  plants  to ex press  ox ida tive  stress  tol er ance  but  do  not  carry  nu tri ents?  Can  we move  the  seed­vec tored  sym bi otic  bac te ria  be tween  species  of  plants (Verma and White, 2018) or cul ti vars and im prove  rhi zophagy  cy cle  ac ­ tiv ity in crop plants where na tive sym bi otic bac te ria have been lost? Pre ­ cisely what nu tri ents do plants ob tain from rhi zophagy sym bio sis? Does the plant ab sorb into root cells par tially de graded or ganic mol e cules—or are  all  or ganic  mol e cules  com pletely  ox i dized  prior  to  ab sorp tion?  Do bac te ria that col o nize root meris tems also col o nize shoot meris tems  and thus be come dis trib uted to all parts of plants? How do plants in duce sym ­ bi otic bac te ria to en ter cells at the root meris tem? What are the “sig nal” mol e cules that pass be tween plant and bac terium dur ing the sym bi otic in ­ ter ac tions?  What  genes  do  hosts  ex press  dur ing  rhi zophagy  ac tiv i ties? What root cells (su per fi cial lay ers on root sur face or cells deep in the in ­ te rior of the root axis) are in volved in the rhi zophagy process? Much ad ­ di tional re search will be needed be fore we  will  fully  un der stand  the  rhi ­ zophagy process or its  ram i fi ca tions  for  crop  pro duc tion.  Re gard less  of what is still un known, it is in creas ingly clear that  rhi zophagy  sym bio sis may rep re sent an im por tant nu tri tional sym bio sis that func tions in many or all plants to pro vide nu tri ents. Rhi zophagy sym bio sis may rep re sent a prim i tive but fun da men tal process for nu tri ent ac qui si tion func tion ing in seed less vas cu lar plants such as ferns as well as seed plants. Un der stand ­ ing how rhi zophagy sym bio sis func tions could lead to new ways to cul ti ­ vate  crops  with out  re liance  on  ex ces sive  agro chem i cal  ap pli ca tions.  Fi ­ nally, learn ing how to ma nip u late rhi zophagy sym bio sis could also re sult in  new  tech nolo gies  for  re duc ing  growth  of  weedy  or  in va sive  plant species by in hibit ing the sym bio sis.

ACKNOWLEDGMENTS

UN

The au thors ac knowl edge the De part ment of Plant Bi ol ogy,  Rut gers  Uni ver sity,  NJ  for re search fa cil i ties and fi nan cial sup port. SKV is thank ful to UGC, In dia for pro vid ing a Ra man Post Doc toral fel low ship (No.­F 5­11/ 2016 IC) for the year (2016–17) to con duct re search in USA. SKV is grate ful to the  Head  and  Co or di na tor  CAS,  FIST  of  Botany, B.H.U., Varanasi, In dia for pro vid ing the leave  to  pur sue  re search  on  en do phytes.  The au thors are also grate ful for sup port from the John E. and Christina C. Craig head Foun da ­ tion, USDA­NIFA  Mul ti state  Pro ject  W3147,  and  the  New  Jer sey  Agri cul tural  Ex per i ­ ment Sta tion.  Funds  for  part  of  this  work  were  from  Co op er a tive  Ecosys tems  Stud ies Unit CESU G16AC00433 be tween Rut gers Uni ver sity and the US Ge o log i cal Sur vey for con trol of in va sive P. aus tralis. We are grate ful to Ilya Raskin, Car rie Wa ter man, and Al ­ bert Ayeni for seeds of moringa and egusi melon used in this study.

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

22/28

5/21/2018

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

23

Evidence for Widespread Microbivory of bacteria

REFERENCES

UN

CO RR

EC TE D

 P R

OO F

Akubundu, E.N., Cherry, J.P., Sim mons, J.G., 1982. Chem i cal, func tional, and nu tri tional prop er ties of egusi (Colo cyn this cit rul lus L.) seed pro tein prod ucts. J Food  Sci,  47, 829–836. Álvarez­Loayza, P., White Jr., J.F., Tor res, M.S., Bal slev, H., Kris tiansen, T., 2011. Light con verts en dosym bi otic fun gus to pathogen, in flu enc ing seedling sur vival and niche­ space fill ing of a com mon trop i cal tree, Iri artea del toidea. PLoS One, 6 (1), e16386. https: // doi. org/ 10. 1371/ journal. pone. 0016386. Alverca, E., Bie gala, I., Ken n away, G., Lewis, J., Franca, S., 2002. In situ iden ti fi ca tion and lo cal iza tion of bac te ria as so ci ated with Gy ro dinium in s tria tum (Gymno diniales, Dino phyceae) by elec tron and con fo cal mi croscopy. Eur J Phy col, 37, 523–530. Ami jee, F., Al lan, E.J., Wa ter house, R.N., Glover, L.A., Pa ton, A.M.,  1992.  Non­path o ­ genic as so ci a tion of L­form bac te ria (Pseudomonas sy ringae  pv.  phase oli cola)  with bean plants (Phase o lus vul garis L.) and its po ten tial for bio con trol of halo blight dis ­ ease. Bio con trol Sci Tech nol, 2, 203–214. Arnold, A.E., Lut zoni, F., 2007. Di ver sity and host range of fo liar fun gal en do phytes: are trop i cal leaves bio di ver sity hotspots?. Ecol ogy, 88, 541–549. Ba con, C.W., Hin ton, D.M., 2011. In planta re duc tion of maize seedling stalk le sions by the bac te r ial en do phyte Bacil lus mo javen sis. Can J Mi cro biol, 57, 1–8. Beltrán­García,  M.J.,  White,  J.F.,  Prado,  F.M.,  Pri eto,  K.R.,  Ya m aguchi,  L.F.,  Tor res, M.S., et al., 2014. Ni tro gen ac qui si tion in Agave tequi lana from degra da tion of en do ­ phytic bac te ria. Sci Rep 4, 6938. Be ran, V., Havelkova, M., Kaus tova, J., Dvorska, L., Pavlik, I., 2006. Cell wall de fi cient forms of my cobac te ria: a re view. Vet Med (Praha), 51, 365–389. Bierne, H., Cos sart, P., 2012. When bac te ria tar get the nu cleus: the emerg ing fam ily  of nu cle o mod ulins. Cell Mi cro biol, 14, 622–633. Cabis col, E., Tamarit, J., Ros, J., 2000. Ox ida tive stress in bac te ria and pro tein dam age by re ac tive oxy gen species. In ter nat Mi cro biol, 3, 3–8. Chia, T.F., Aung, H.H., Os ipov,  A.,  Goh,  N.K.,  Chia,  L.S.,  2004.  Car niv o rous  pitcher plant uses free rad i cals in the di ges tion of prey. Re dox Rep, 9, 255–261. Clarke, B.B., White Jr., J.F., Hur ley, R.H., Tor res, M.S., Sun, S., Huff, D.R., 2006. En do ­ phyte­me di ated sup pres sion of dol lar spot dis ease in fine fes cue. Plant Dis, 90, 994– 998. Clay, K., Ho lah, J., Rudgers, J.A., 2005. Her bi vores cause a rapid in crease in hered i tary sym bio sis and al ter plant com mu nity com po si tion. Proc Natl Acad Sci 102, 12465– 12470. Com pant, S., Re iter, B., Ses sitsch, A., Nowak, J., Clement, C., Ait Barka, E., 2005.  En ­ do phytic  col o niza tion  of  Vi tis  vinifera  L.  by  plant  growth­pro mot ing  bac terium Burk holde ria sp. strain PsJN. Appl En v i ron Mi cro biol, 71, 1685–1693. Com pant, S., Clement, C., Ses sitsch,  A.,  2010.  Plant  growth­pro mot ing  bac te ria  in  the rhizo­ and en dos phere of plants: their role,  col o niza tion,  mech a nisms  in volved  and prospects for uti liza tion. Soil Biol Biochem, 42, 669–678. Daula gala, P.W.H.K.P., Al lan, E.J., 2003. L­form bac te ria of Pseudomonas sy ringae pv. phase oli cola in duce chiti nases and en hance re sis tance to Botry tis cinerea in fec tion in Chi nese cab bage. Phys iol Mol Plant Pathol, 62, 253–263. Döbere iner, J.,  1992.  His tory  and  new  per spec tives  of  di a zotrophs  in  as so ci a tion  with non­legu mi nous plants. Sym bio sis, 13, 1–13.

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

23/28

5/21/2018

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

24

James F. White et al.

UN

CO RR

EC TE D

 P R

OO F

Döbere iner,  J.,  Bal dani,  V.L.D.,  Oli vares,  F.L.,  Reis,  V.M.,  1994.  En do phytic  di a ­ zotrophs: the key to BNF in grami neous plants. In: Hegasi, N.A., Fayez, M., Monib, M. (Eds.), Ni tro gen Fix a tion with Non­legumes. The Amer i can Uni ver sity  in  Cairo Press, Egypt, pp. 395–408. Doty, S.L., 2017. Func tional im por tance of the plant mi cro biome:  im pli ca tions  for  agri ­ cul ture, forestry and bioen ergy. In:  Doty,  S.L.  (Ed.),  Func tional  Im por tance  of  the Plant Mi cro biome. Springer, Am s ter dam, Nether lands, pp. 1–5. Frank, A.C., Guz man, J.P.S., Shay, J.E., 2017. Trans mis sion of bac te r ial en do phytes. Mi ­ croor gan isms 5, 70. https: // doi. org/ 10. 3390/ microorganisms5040070. Galek, H., Os s wald, W.F., El st ner, E.F.,  1990.  Ox ida tive  pro tein  mod i fi ca tion  as  predi ­ ges tive mech a nism of the car niv o rous plant Dion aea mus cip ula: an hy poth e sis based on in vitro ex per i ments. Free Radic Biol Med, 9, 427–434. Glick, B.R., 1995. The en hance ment of plant growth by free­liv ing bac te ria. Can J Mi cro ­ biol, 41, 109–117. Godlewski, M., Adam czyk, B., 2007. The abil ity of plants to se crete pro teases by roots. Plant Phys iol Biochem, 45, 657–664. Hamil ton, C.E., Gun del, P.E., He lander, M., Saikko nen, K., 2012. En do phytic me di a tion of re ac tive oxy gen species and an tiox i dant ac tiv ity in plants: a re view. Fun gal Divers, 54, 1–10. Hill, P.W., Quil liam, R.S., DeLuca, T.H., Far rar, J., Far rell, M., Roberts, P., et al., 2011. Ac qui si tion  and  as sim i la tion  of  ni tro gen  as  pep tide­bound  and  D­enan tiomers  of amino acids by wheat. PLoS One 6 (4), e19220. https: // doi. org/ 10. 1371/ journal. pone.  0019220. Hurek, T., Rein hold­Hurek, B., Kel len berger, E., Van Mon tagu, M., 1994. Root col o niza ­ tion and sys temic spread ing of Azoar cus sp. strain BH72 in grasses. J Bac te riol 176, 1913–1923. Hurek, T., Egener, T., Rein hold­Hurek, B., 1997. Di ver gence in ni tro ge nases of Azoar cus spp., pro teobac te ria of beta sub class. J Bac te riol 179, 4172–4178. Irizarry, I., White, J.F., 2017. Ap pli ca tion of bac te ria from  non­cul ti vated  plants  to  pro ­ mote growth, al ter root ar chi tec ture and al le vi ate salt stress of cot ton. J Appl Mi cro ­ biol.https: // doi. org/ 10. 1111/ jam. 13414. James,  E.K.,  2000.  Ni tro gen  fix a tion  in  en do phytic  and  as so cia tive  sym bio sis.  Field Crops Res, 65, 197–209. James,  E.K.,  Oli vares,  F.L.,  1998.  In fec tion  and  col o niza tion  of  sugar  cane  and  other gram i na ceous plants by en do phytic di a zotrophs. Crit Rev Plant Sci, 17, 77–119. James, E.K., Reis, V.M., Oli vares, F.L., Bal dani, J.I., Dobere iner, J., 1994. In fec tion  of sugar cane by the ni tro gen­fixing bac terium Ace to bac ter di a zotroph i cus. J Exp  Bot, 45, 757–766. Jamt gard, S., Nasholm, T., Huss­Danell, K., 2008. Char ac ter is tics of amino acid up take in bar ley. Plant Soil, 302, 221–231. John ston­Monje, D., Raizada, M.N., 2011. Con ser va tion and di ver sity of seed as so ci ated en do phytes in Zea across bound aries of evo lu tion,  ethnog ra phy  and  ecol ogy.  PLoS One, 6 (6), e20396. https: // doi. org/ 10. 1371/ journal. pone. 0020396. Ju liani, H.R., Fon seca, Y., Ac quaya, D.,  Malumo,  H.,  Malainy,  D.,  Si mon,  J.E.,  2010. Nu tri tional as sess ment of moringa (Moringa spp.) from Ghana, Sene gal and Zam bia. African Nat ural Plant Prod ucts: New Dis cov er ies and Chal lenges in  Chem istry  and Qual ity. Amer i can Chem i cal So ci ety, Wash ing ton, DC, 469–484, Chap ter 25.

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

24/28

5/21/2018

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

25

Evidence for Widespread Microbivory of bacteria

UN

CO RR

EC TE D

 P R

OO F

Ka marova, N.Y., Thor, K., Gubler, A., Meier, S., Di et rich, D., We ichert, A., et al., 2008. AtP TR1 and AtP TR5 trans port dipep tides in planta. Plant Phys iol, 148, 856–869. Kraiser, T.,  Gras,  D.E.,  Gutier rez,  A.G.,  Gon za lez,  B.,  Gutier rez,  R.,  2011.  A  holis tic view of ni tro gen ac qui si tion in plants. J Exp Bot, 62, 1455–1466. Kiel land, K., 1994. Amino acid ab sorp tion by arc tic plants: im pli ca tions  for  plant  nu tri ­ tion and ni tro gen cy cling. Ecol ogy 75, 2373–2383. Kloep per, J.W., 1993. Plant growth­pro mot ing rhi zobac te ria as bi o log i cal con trol agents. In: Met ting Jr., F.B. (Ed.), Soil Mi cro bial Ecol ogy: Ap pli ca tions in Agri cul tural and En vi ron men tal Man age ment. Mar cel Dekker Inc, New York, USA, pp. 255–274. Kocha, T., Ya m aguchi, M., Ohtaki, H., Fukuda, T., Aoy agi,  T.,  1997.  Hy dro gen  per ox ­ ide­me di ated degra da tion of pro tein: dif fer ent ox i da tion modes of cop per­ and iron­ de pen dent hy droxyl rad i cals on the degra da tion of al bu min. Biochim Bio phys Acta, 1337, 319–326. Koga, R., Nikoh, N., Mat suura, Y., Meng, X.­Y., Fukatsu, T., 2013. Mealy bugs with dis ­ tinct en dosym bi otic sys tems liv ing on the same host plant. FEMS Mi cro biol Ecol, 83, 93–100. Kov tunovych,  G.,  Lar,  O.,  Ka malova,  S.,  Ko rdyum,  V.,  Kleiner,  D.,  Kozy rovska,  N., 1999.  Cor re la tion  be tween  pec tate  lyase  ac tiv ity  and  abil ity  of  di a zotrophic  Kleb ­ siella oxy toca VN 13 to pen e trate into plant tis sues. Plant Soil, 215, 1–6. Kul dau,  G.,  Ba con,  C.W.,  2008.  Clavicip i ta ceous  en do phytes:  their  abil ity  to  en hance grass re sis tance to mul ti ple stresses. Biol Con trol, 46, 57–71. Lamb, C., Dixon, R.A., 1997. The ox ida tive burst in plant dis ease re sis tance. Annu Rev Plant Phys iol Mol Biol, 48, 251–275. Li, H.,  Soares,  M.A.,  Tor res,  M.S.,  White,  J.F.,  2015.  En do phytic  bac terium,  Bacil lus amy loliq ue fa ciens, en hances or na men tal hosta re sis tance to dis eases and in sect pests. J Plant In ter act, 10, 224–229. Mag nani, G., Di donet, C., Cruz, L., Picheth, C., Pe drosa, F., Souza, E., 2010. Di ver sity of en do phytic bac te ria in Brazil ian sug ar cane. Genet Mol Res, 9, 258. Mat sub ayashi, Y., Sak agami, Y., 1996. Phy to sul fokine, sul fated pep tides that in duce the pro lif er a tion of sin gle mes o phyll cells of As para gus of fic i nalis L. Proc Natl Acad Sci USA, 93, 7623–7627. Mikola, J., 1998. Ef fects of mi cro bi vore species com po si tion and  basal  re source  en rich ­ ment on trophic­level bio masses in an ex per i men tal mi cro bial­based soil  food  web. Oe colo gia, 117, 396–403. Näsholm, T., Kiel land, K., Ganeteg, U., 2009. Up take of or ganic ni tro gen by plants. New Phy tol, 182, 31–48. Paung foo­Lon hi enne,  C.,  Lon hi enne,  T.G.A.,  Rentsch,  D.,  Robin son,  N.,  Christie,  M., Webb, R.I., et al.,  2008.  Plants  can  use  pro tein  as  a  ni tro gen  source  with out  as sis ­ tance from other or gan isms. Proc Natl Acad Sci USA, 105, 4524–4529. Paung foo­Lon hi enne, C., Lon hi enne, T., Schmidt, S., 2010. DNA up take by Ara bidop sis in duces changes in the ex pres sion of CLE pep tides which con trol root mor phol ogy. Plant Sig nal Be hav, 5, 1112–1114. Paung foo­Lon hi enne, C., Rentsch, D., Ro batzrk, S., Webb, R.I., Sag u lenko, E., Nasholm, T., et al., 2010. Turn ing the table: plants con sume mi crobes as a source of nu tri ents. PLoS One, 5 (7), e11915. https: // doi. org/ 10. 1371/ journal. pone. 0011915. Paung foo­Lon hi enne, C., Visser, J., Lon hi enne, T., Schmidt, S., 2012. Past, pre sent and fu ture of or ganic nu tri ents. Plant Soil, 359, 1–18.

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

25/28

5/21/2018

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

26

James F. White et al.

UN

CO RR

EC TE D

 P R

OO F

Paung foo­Lon hi enne, C., Schmidt, S.,  Webb,  R.,  Lon hi enne,  T.,  2013.  Rhi zophagy­  A new di men sion of plant­mi crobe in ter ac tions. In: de Briujn, F.J. (Ed.), Mol e c u lar Mi ­ cro bial Ecol ogy of the Rhi zos phere. Wi ley­Black well. Pub John Wi ley & Sons, Inc. Pri eto,  K.R.,  Echaide­Aquino,  F.,  Huerta­Rob les,  A.,  Va le rio,  H.P.,  Macedo­Ray goza, G., Prado, F.M., et al., 2017. En do phytic bac te ria and rare earth el e ments: promis ing can di dates for nu tri ent use ef fi ciency in plants. In: Hos sain, M., Kamiya, T., Bur ritt, D., Tram, L.­S.P.,  Fu ji wara,  T.  (Eds.),  Plant  Macronu tri ent  Use  Ef fi ciency.  Aca d e ­ mic Press, Cam bridge, MA, USA, pp. 285–302. Puente, M.E., Bashan, Y., 1994. The desert epi phyte Tilland sia re cur vata har bours the ni ­ tro gen­fix ing bac terium Pseudomonas stutzeri. Can J Bot, 72, 406–408. Red man, R.S., Shee han, K.B., Stout, R.G., Ro driguez, R.J., Hen son, J.M., 2002. Ther mo ­ tol er ance gen er ated by plant/ fun gal sym bio sis. Sci ence, 298, 1581. Rein hold­Hurek,  B.,  Hurek,  T.,  2011.  Liv ing  in side  plants:  bac te r ial  en do phytes.  Curr Opin Plant Biol, 14, 435–443. Robin son, J.M., 2008. Re ac tive oxy gen species in phago cytic leu co cytes. His tochem Cell Biol, 130, 281–297. Rodríguez, C.E., Mit ter, B., Bar ret, M., Ses sitsch, A., Com pant, S., 2017. Com men tary: seed bac te r ial in hab i tants and their routes of col o niza tion. Plant  Soil.https: // doi. org/  10. 1007/ s11104­017­3368­9. Ro driguez, R.J., Wood ward, C., Kim,  Y.O.,  Red man,  R.S.,  2009.  Habi tat­adapted  sym ­ bio sis as a de fense against abi otic and bi otic stresses. In: White Jr., J.F., Tor res, M.S. (Eds.), De fen sive Mu tu al ism in Mi cro bial Sym bio sis. CRC Press, Boca Ra ton,  FL., USA, pp. 335–346. Rosen blueth, M., Martínez­Romero, E., 2006. Bac te r ial en do phytes and their in ter ac tions with hosts. Mol Plant Mi crobe In ter act, 19, 826–837. Sa baneyeva, E.V., Derkacheva, M.E.,  Benken,  K.A.,  Fokin,  S.I.,  Vainio,  S.,  Skovorod ­ kin, I.N., 2009. Actin­based mech a nism of  Holospora  ob tuse  traf fick ing  in  Para me ­ cium cau da tum. Pro tist, 160, 205–219. Selosse, M.­A., Roy, M., 2008. Green plants that feed on fungi. Trends Plant Sci, 14, 64– 70. Sloan, D.B., Moran, N.A., 2012. En dosym bi otic  bac te ria  as  a  source  of  carotenoids  in white flies. Biol Lett.https: // doi. org/ 10. 1098/ rsbl. 2012. 0664. Soares, M.A., Li, H., Bergen,  M.,  White,  J.F.,  2015.  Func tional  role  of  an  en do phytic Bacil lus amy loliq ue fa ciens in en hanc ing growth  and  dis ease  pro tec tion  of  in va sive Eng lish ivy (Hed era he lix L.). Plant Soil.https: // doi. org/ 10. 1007/ s11104­015­2638­7. Soares,  M.A.,  Li,  H.Y.,  Kowal ski,  K.P.,  Bergen,  M.,  Tor res,  M.S.,  White,  J.F.,  2016. Func tional roles of bac te ria from in va sive Phrag mites aus tralis in pro mo tion of host growth. Mi crob Ecol, 72 (2), 407–417. Stone, J.K., Ba con, C.W., White Jr., J.F., 2000. An overview of en do phytic mi crobes: en ­ do phytism de fined. In: Ba con, C.W.,  White  Jr.,  J.F.  (Eds.),  Mi cro bial  En do phytes. Mar cel­Dekker, New York, USA, pp. 3–30. Taulé, C., Marenque, C., Bar locco, C., Hack em bruch, F., Reis, V.M., Sicardi, M., et al., 2012. The con tri bu tion of ni tro gen fix a tion to sug ar cane (Sac cha rum of fic i narum L.), and the iden ti fi ca tion and char ac ter i za tion of part of the as so ci ated di a zotrophic bac ­ te r ial com mu nity. Plant Soil, 356, 35–49.

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

26/28

5/21/2018

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

27

Evidence for Widespread Microbivory of bacteria

UN

CO RR

EC TE D

 P R

OO F

Ted er soo, L., Pel let, P., Kol jalg, U., Selosse, M., 2007. Par al lel evo lu tion ary paths to my ­ co heterotro phy  in  un der storey  Er i caceae  and  Or chi daceae:  eco log i cal  ev i dence  for mixotro phy in Py roleae. Oe colo gia, 151, 206–217. Thomas, P., Soly, T.A., 2009. En do phytic bac te ria as so ci ated with grow ing shoot tips of ba nana (Musa sp.) cv. Grand Naine and the affin ity of en do phytes to the host. Mi crob Ecol, 58, 953–964. Thomas, P., Reddy, K.M., 2013. Mi cro scopic eli ci da tion of abun dant en do phytic bac te ria col o niz ing  the  cell  wall­plasma  mem brane  peri­space  in  the  shoot­tip  tis sue  of  ba ­ nana. Ann Bot (Lond). Tor res, M.S., White, J.F., Zhang, X., Hin ton, D.M., Ba con, C.W.,  2012.  En do phyte­me ­ di ated ad just ments  in  host  mor phol ogy  and  phys i ol ogy  and  ef fects  on  host  fit ness traits in grasses. Fun gal Ecol, 5, 322–330. Ur guiaga, S., Cruz, K., Boddey, R., 1992. Con tri bu tion of ni tro gen fix a tion to sugar cane: ni tro gen­15 and ni tro gen bal ance es ti mates. Soil Sci Soc Am J, 56, 105–114. Verma, S.K., Kings ley, K.,  Irizarry,  I.,  Bergen,  M.,  Khar war,  R.N.,  White,  J.F.,  2017. Seed vec tored en do phytic bac te ria mod u late de vel op ment  of  rice  seedlings.  J  Appl Mi cro biol, 122, 1680–1691. Verma, S.K., Kings ley, K., Bergen, M., Eng lish, C., El more, M., Khar war, R.N.,  et  al., 2017.  Bac te r ial  en do phytes  from  rice  cut  grass  (Leer sia  ory zoides  L.)  in crease growth, pro mote root grav it ropic re sponse, stim u late root hair for ma tion, and pro tect rice seedlings from dis ease. Plant Soil.https: // doi. org/ 10. 1007/ s11104­017­3339­1. Verma, S.K., White, J.F., 2018.  In dige nous  en do phytic  seed  bac te ria  pro mote  seedling de vel op ment and de fend against fun gal dis ease in brown top mil let (Urochloa ramose L.). J Appl Mi cro biol.https: // doi. org/ 10. 1111/ jam. 13673. Wall, S., Kunze, Z.M., Sa boor, S., Sou fleri, I., Seechurn, P., Chio dini,  R.,  et  al.,  1993. mI den ti fi ca tion  of  spher o plast­like  agents  iso lated  from  tis sues  of  pa tients  with Crohn’s dis ease and con trol tis sues by poly merase chain re ac tion. J Clin Mi cro biol, 31, 1241–1245. Waller, F., Achatz, B., Bal tr uschat, H., Fodor, J., Becker, K., Fisher, M., et al., 2005. The en do phytic fun gus Pir i for mo spora in dica re pro grams bar ley  to  salt­stress  tol er ance, dis ease re sis tance, and higher yield. Proc Natl Acad Sci 102, 13386–13391. We ber, O.B., Mu niz, C.R., Vi tor, A.O., Freire, F.C.O., Oliveira, V.M., 2007. In ter ac tion of  en do phytic  di a zotrophic  bac te ria  and  Fusar ium  oxys po rum  f.  sp.  cubense  on plantlets of ba nana ‘Maca’. Plant Soil, 298, 47–56. White, J.F., Tor res,  M.S.,  2010.  Is  en do phyte­me di ated  de fen sive  mu tu al ism  ox ida tive stress pro tec tion?. Phys iol Plant, 138, 440–446. White, J.F., Craw ford, H., Tor res,  M.S.,  Mat tera,  R.,  Irizarry,  I.,  Bergen,  M.,  2012.  A pro posed mech a nism for ni tro gen ac qui si tion by grass seedlings through ox i da tion of sym bi otic  bac te ria.  Sym bio sis  57  (3),  161–171.  http: // doi. org/ 10. 1007/ s13199­012­ 0189­8. White, J.F., Tor res, M.S., Somu, M.P., John son, H., Irizarry,  I.,  Chen,  Q.,  et  al.,  2014. Hy dro gen per ox ide stain ing to vi su al ize in tra cel lu lar bac te r ial in fec tions of seedling root cells. Mi crosc Res Tech 77 (8), 566–573. https: // doi. org/ 10. 1002/ jemt. 22375. White, J.F., Chen, Q., Tor res, M.S., Mat tera, R., Irizarry, I., Tadych, M., et al., 2015. Col ­ lab o ra tion be tween grass seedlings and rhi zobac te ria to scav enge or ganic ni tro gen in soils. AoB Plants 7, plu093. https: // doi. org/ 10. 1093/ aobpla/ plu093. White, J.F., Kings ley, K.I., Kowal ski, K.P., Irizarry, I., Micci, A.,  Soares,  M.A.,  et  al., 2017. Dis ease pro tec tion and al lelo pathic in ter ac tions of seed­trans mit ted en do phytic 

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

27/28

5/21/2018

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

28

James F. White et al.

 P R

FURTHER READING

OO F

pseudomon ads  of  in va sive  seed  grass  (Phrag mites  aus tralis).  Plant  Soil  422,  195– 208. https: // doi. org/ 10. 1007/ s11104­016­3169­6. White, J.F., Kings ley, K., Harper, C.J., Verma, S.K., Brin disi, L., Chen, Q., et al., 2018. Re ac tive oxy gen de fense against cel lu lar en dopar a sites and the ori gin of eu kary otes. In: Krings, M., Harper, C.J., Cu neo, N.R., Roth well, G.W. (Eds.), Trans for ma tive Pa ­ le ob otany: Pa pers to Com mem o rate the Life and Legacy of Thomas N. Tay lor. El se ­ vier, Am s ter dam, Nether lands. Xiong, Y., Con tento, A.L., Nguyen, P.Q., Basham, D.C., 2007. Degra da tion of ox i dized pro teins  by  au tophagy  dur ing  ox ida tive  stress  in  Ara bidop sis.  Plant  Phys iol,  143, 291–299.

UN

CO RR

EC TE D

Baker, G.C., Smith, J.J., Cowan, D.A., 2003. Re view and re­analy sis of do main­spe cific 16S primers. J Mi crob Meth ods, 55, 541–555. Kowal ski, K.P., Ba con, C., Bick ford, W., Braun, H., Clay, K., Leduc­Lapierre, M., et al., 2015. Ad vanc ing the sci ence of mi cro bial sym bio sis to sup port in va sive species man ­ age ment: a case study on Phrag mites in the Great Lakes. Front Mi cro biol 6, 95. https:  // doi. org/ 10. 3389/ fmicb. 2015. 00095. Munkres, K.D., 1990. His to chem i cal de tec tion of su per ox ide rad i cals and hy dro gen  per ­ ox ide by Age­1 mu tants of Neu rospora. Fun gal Genet Newslett, 37, 24–25. Pick, E., Keis ari, Y., 1980. A sim ple col ori met ric method for the mea sure ment of hy dro ­ gen per ox ide pro duced by cells in cul ture. J Mi cro biol Meth ods, 38, 161–170. Rada jweski, S., In e son, P., Parekh, N., Mur rell, J.C., 2000.  Sta ble­iso tope  prob ing  as  a tool in mi cro bial ecol ogy. Na ture, 403, 646–649.

https://elsevierbookweb2.proofcentral.com/index.html?token=c519b135eb27e55bdb44ac121c235d3b&type=AU

28/28