Novel Communication Pathways for Plant-Microbe Interactions via Bacterial Volatile Organic Compounds (VOCs)

Abstract

Bacterial volatile organic compounds (BVOCs) are one group of secondary metabolites produced by bacteria associated with plants which are extremely diffusible in the soil and capable of playing significant roles in plant-bacteria interactions as remote messengers. Without any physical contact, with the producing VOCs, microorganisms are able to promote plant growth and induce plant resistance to biotic and abiotic stresses. Despite a great and advanced body of knowledge on the role of BVOCs in plant stimulation pattens, rhizosphere complexity displays a lot of mystery to my comprehension of some essential issues and the scientific interpretation of the following questions is not yet available. (1) What is the main reason that bacteria stimulate plants through the release of volatile organic compounds? (2) How do plants specifically detect volatile organic compounds from bacteria? To prove (1), an experiment was designed in which bacteria stimulate plants through the release of VOCs and thereby determined what the bacteria can obtain from plants, and for (2) we tried to find a non-biological component in the soil that its physicochemical properties are controlled by BVOCs and affect plant growth. Through these, a new scientific interpretation of plant-microorganism interaction based on bacterial volatile organic compounds was proposed, and the reality of the phenomenon was to be understood in more detail. 1) Potential feasibility of stress-induced BVOC-based mutualism: Using heavy metals, both bacteria and plants were exposed to abiotic stress and resulted in changes in plant gene expression patterns and phenotypes. Through transcriptome analysis and solid-phase micro-extraction-based GC-MS it was confirmed that in the presence of lead ions the mRNA expression pattern related to carbon metabolism of Bacillus megaterium GNU-01 and the type of released VOCs could be different. This stress-induced change in bacterial volatile organic compounds induced higher expression rates of growth and antioxidant-related genes such as EXP9, APX2, and CAT1 in Arabidopsis thaliana, and as a result, the plants ability to absorb lead was clearly induced. Quantifying the microbial colony-forming unit confirmed that the enhanced ability of plants to absorb lead by bacterial volatile organic compounds, could enhance the viability of microorganisms by lowering the lead concentration in the B. megaterium environment. These results suggest that bacterial volatile organic compounds can become inducers for plant-microorganism mutualism in stressful situations. 2) Bacterial VOCs-mediated root elongation direction: It is known that the direction of plant root growth is mainly controlled by gravity, but considering that the rhizosphere environment can give various advantages to bacterial growth, there is a strong possibility for BVOCs-mediated root alongation direction. To prove it experimentally, roots were xeposed to the gradient of volatile organic compounds emitted by B. megaterium and it was confirmed that the root growth direction of Arabidopsis thaliana could be changed in a concentration gradient-dependent manner of volatiles. Using transmission electron microscopy and MALDI-TOF mass spectrometry, it was demonstrated that the cell wall of Arabidopsis roots that are affected by bacterial volatile organic matter can be thinned and was related to the modulation of root growth direction. Through the GC-MS analysis, it was investigated that the composition of the root exudate can be diversified in the presence of bacterial volatile organic compounds and it was proved by microbial colony forming unit that microbial growth can be promoted through this plant metabolites alteraion. These results indicated that bacteria can obtain plant exudate components that are required for their growth by controlling the the direction of plant root growth using volatile organic compounds. 3) Effect of soil minerals on bacterial VOC-based mlant-microbe communication: This study investigated the ability of VOCs emitted by B. megaterium to alter the hydroxyapatite surface and kinetics of dissolution. By increasing incubation time with BVOCs phosphate release facilitated. Use of each standard chemical of the BVOCs then indicated that oxalic and acetic acids are crucial for the phenomenon. In addition, the ability of such BVOCs to engineer the apatite surfaces was evidenced by FT-IR spectra showing the COO- band variation with incubation time and the prolonged acceleration of phosphate release during the negligible acidification of the hydroxyapatite-containing solutions. The formation of calcium oxalate was revealed through SEM-EDS and XRD analyses, suggesting that the BVOC oxalic acid interacts with calcium ions leading to the precipitation of calcium oxalate, thus preventing the recrystallization of calcium phosphates. Agar- and soil-based plant cultivation tests employing Arabidopsis thaliana and solid calcium phosphates (i.e., nano- and micro-sized hydroxyapatites and calcium phosphate dibasic) demonstrated that these BVOC mechanisms facilitate plant growth by ensuring the prolonged supply of plant-available phosphate. The relationship between the growth promotion and the particle size of the calcium phosphates also substantiated the BVOCs sorption onto soil minerals related to plant growth. Given that most previous studies have assumed that BVOCs are a molecular lexicon directly detected by dedicated sensing machinery of plants, our approach provides a new mechanistic view of the presence of abiotic mediators in the interaction between plants and bacteria via BVOCs.

박테리아가 방출하는 휘발성 유기 화합물은 2차 대사 산물로 다양한 화학 구조를 보유하고 있으며, 토양 내에서 쉽게 확산되어 식물과 소통하는 메신저 역할을 수행하는 것으로 밝혀져 왔다. 박테리아의 휘발성 유기 화합물은 식물의 생장을 촉진하거나, 스트레스 저항 능력을 강화시키는 등의 식물 자극 능력을 보유한 것으로 확인되었고, 이에 관여하는 다양한 유전자와 단백질들이 오믹스 연구를 통해 선별되었다. 박테리아 종에 따라 생산되는 휘발성 유기 화합물의 종류와 이에 따라 유도되는 식물 자극 패턴 변화에 대한 연구 또한 활발히 진행되어 왔으나, 여전히 아래와 같은 질문들에 대한 과학적 해석이 부족하다. (1) 박테리아가 휘발성 유기 화합물 방출을 통해 식물을 자극시키는 근본적인 이유가 무엇인가? (2) 식물이 구체적으로 어떻게 박테리아의 휘발성 유기 화합물을 인지하는가? (1)을 증명하기 위해, 박테리아가 휘발성 유기 화합물 방출을 통해 식물을 자극하고 이를 통해 박테리아가 식물로부터 무엇을 얻을 수 있는지 확인하는 실험을 설계하였으며, (2) 질문을 위해, 박테리아 휘발성 유기 화합물에 의해 물리화학적 특성이 조절되어 식물 생장에 영향을 줄 수 있는 토양 내의 비생물학적 구성 성분을 찾고자 했다. 이를 통해 박테리아 휘발성 유기 화합물 기반의 식물-미생물 상호작용에 대한 새로운 과학적 해석을 제시하고, 현상의 실체에 대해 더 자세히 파악하고자 했다. - 스트레스 조건 하에서 유도되는 박테리아 휘발성 유기 화합물 기반 미생물-식물 상리 공생 관계: 중금속 존재 하에서 박테리아와 식물 둘 다 비생물학적 스트레스를 받으며 유전자 발현 패턴 및 표현형이 변화하게 된다. 납 이온 존재 하에서 Bacillus megaterium GNU-01의 탄소 대사 관련 전령 RNA 발현 패턴과 방출하는 휘발성 유기 화합물 종류가 달라질 수 있음을 전사체 분석과 고체상 미세 추출법 기반 GC-MS를 통해 확인하였다. 이러한 스트레스에 의한 박테리아 휘발성 유기 화합물의 변화는 애기장대 (Arabidopsis thaliana Col-0)의 EXP9, APX2, 그리고 CAT1과 같은 생장과 항산화 관련 유전자 발현율을 더 높게 유도했으며, 결과적으로 식물의 납 흡수 능력을 명백히 증가시킬 수 있었다. 박테리아 휘발성 유기화합물에 의해 강화된 식물의 납 흡수 능력이 B. megaterium 거주 환경의 납 농도를 낮추어 미생물의 생존성을 강화시킬 수 있음을 미생물 집락 형성 단위를 정량함으로써 확인하였다. 이러한 결과들은 박테리아 휘발성 유기 화합물이 스트레스 상황에서 식물-미생물 상호 이익을 위한 상리 공생 유도 인자가 될 수 있음을 의미한다.

- 박테리아 휘발성 유기 화합물에 의한 식물 뿌리 생장 방향 조절: 식물 뿌리 생장의 방향은 중력에 의해 주로 조절되는 것으로 알려져 있으나, 근권 환경이 박테리아 생장에 여러가지 이점을 줄 수 있는 것을 고려하면 박테리아가 휘발성 유기 화합물을 통해 식물 뿌리 생장 방향을 조절하고 본인 거주 지역을 근권화하는 생존 전략을 취할 가능성이 농후하다. 이를 실험적으로 증명하기 위해 B. megaterium가 방출하는 휘발성 유기 화합물의 농도 구배를 유도하였으며 애기장대의 뿌리 생장 방향이 휘발 물질의 농도 구배 의존적으로 변경될 수 있음을 확인하였다. 투과전자 현미경과 MALDI-TOF 질량 분석 기술을 이용해, 박테리아의 휘발성 유기물에 영향을 받은 애기장대 뿌리는 세포벽이 얇아질 수 있음을 증명하였으며, 전사체 분석 결과 pectinase와 expansin과 같은 유전자 발현 증가가 이러한 세포벽 외형 변화 및 뿌리 생장 방향 설정에 관련이 있음을 확인하였다. GC-MS 분석 기술을 통해 박테리아 휘발성 유기 화합물 존재 시 식물의 뿌리 삼출액 구성 성분이 다변화 될 수 있음을 확인하였고, 이를 통해 미생물 생장이 촉진될 수 있음을 미생물 집락 형성 단위를 정량함으로써 증명하였다. 이러한 결과들은 박테리아가 휘발성 유기 화합물을 이용해 능동적으로 식물 뿌리 생장 방향을 조절하여, 미생물 생장에 도움이 되는 식물 삼출액 성분을 보다 쉽게 확보할 수 있음을 의미한다.

- 토양 미네랄이 박테리아 휘발성 유기 화합물 기반 식물-미생물 의사소통에서 미치는 영향: 식물이 박테리아 휘발성 유기 화합물을 직접적으로 감지할 수 있는 분자적 장치를 보유한 것으로 가정되어 왔으나, 휘발성 유기 화합물의 구조적 복잡성으로 인해 현실적으로 그에 해당하는 다양한 감지 장치를 식물이 보유하고 있기가 매우 어려울 것으로 판단된다. 대안적 기작을 제시하기 위해, 산소 기반 작용기를 보유한 박테리아 휘발성 유기 화합물에 의해 표면 개질 및 용해가 될 수 있는 인 함유 토양 미네랄 입자에 대한 연구를 수행하였다. B. megaterium가 방출하는 휘발성 유기 화합물은 수용액의 pH를 낮게 하여 수산화인회석 입자의 용해도를 증가시키고 입자 표면에 달라붙어 장기적으로 인산 방출을 가속화함을 확인하였다. 이러한 인산 방출은 휘발성 유기 화합물 중 카르복실기를 보유한 옥살산과 초산에 의해 주로 발생하는 것으로 평가되었으며, 애기장대가 공존할 경우 장기적인 인산 공급을 통해 식물 영양이 크게 개선되고 생장이 촉진될 수 있음을 확인하였다. 이러한 결과들은 박테리아 휘발성 유기 화합물이 직접적으로 식물을 자극하기 보다는 식물 영양성분을 함유한 토양 미네랄을 이용해 간접적으로 식물의 표현형을 조절할 수 있음을 시사한다.