Abstract Sustainable enhancements to crop productivity and increased resilience to adverse conditions are critical for modern agriculture, and application of plant growth promoting rhizobacteria (PGPR) is a promising method to achieve these goals. However, many desirable PGPR traits are highly regulated in their native microbe, limited to certain plant rhizospheres, or insufficiently active for agricultural purposes. Synthetic biology can address these limitations, but its application is limited by availability of appropriate tools for sophisticated, high-throughput genome engineering that function in environments where selection for DNA maintenance is impractical. Here we present an orthogonal, S erine-integrase A ssisted G enome E ngineering (SAGE) system, which enables iterative, site-specific integration of up to 10 different DNA constructs at efficiency on par or better than replicating plasmids. SAGE does not require use of replicating plasmids to deliver recombination machinery, and employs a secondary serine-integrase to excise and recycle selection markers. Furthermore, unlike the widely utilized pBBR1 origin, DNA transformed using SAGE is stable without selection. We highlight SAGE’s utility by constructing a 287-member constitutive promoter library with a ∼40,000-fold dynamic range in P. fluorescens SBW25. We show that SAGE functions robustly in diverse α- and γ-proteobacteria, thus providing evidence that it will be broadly useful for engineering industrial or environmental bacteria.

Abstract Cooperation through division of labor underpins biological complexity for organisms and communities. In microbes, stochastic differentiation coupled to programmed cell death drives diverse altruistic behaviors that promote cooperation. Utilizing cell death for developmental multicellular programs requires control over differentiation rate to balance cell proliferation against the utility of sacrifice. However, these behaviors are often controlled by complex regulatory networks and have yet to be demonstrated from first principles. Here we engineered a synthetic developmental gene network that couples stochastic differentiation with programmed cell death to implement a two-member division of labor. Progenitor consumer cells were engineered to grow on cellobiose and differentiate at a controlled rate into self-destructive altruists that release an otherwise sequestered cellulase payload through autolysis. This circuit produces a developmental Escherichia coli consortium that utilizes cellulose for growth. We used an experimentally parameterized model of task switching, payload delivery and nutrient release to set key parameters to achieve overall population growth, liberating 14-23% of the available carbon. An inevitable consequence of engineering self-destructive altruism is the emergence of cheaters that undermine cooperation. We observed cheater phenotypes for consumers and altruists, identified mutational hotspots and developed a predictive model of circuit longeivity. This work introduces the altruistic developmental program as a tool for synthetic biology, demonstrates the utility of population dynamics models to engineer multicellular behaviors and provides a testbed for probing the evolutionary biology of self-destructive altruism.

Abstract Metabolite exchange between plant roots and their associated rhizosphere microbiomes underpins plant growth promotion by microbes. Sorghum bicolor is a cereal crop that feeds animals and humans and is used for bioethanol production. Its root tips exude large amounts of a lipophilic benzoquinone called sorgoleone. Sorgoleone is an allelochemical that suppresses the growth of competing plant seedlings and is mineralized by microbes in soil. As an avenue to understand how sorghum and its root microbiome may be connected through root exudates, we identified the molecular determinants of microbial sorgoleone degradation and the distribution of this trait among microbes. We isolated and studied from sorghum-associated soils, three bacterial strains classified as Acinetobacter , Burkholderia , and Pseudomonas species that grow with sorgoleone as a sole carbon and energy source. The genomes of these strains were sequenced and subjected to transcriptomic and gene fitness analyses to identify candidate sorgoleone degradation genes. Follow up mutational analysis showed that sorgoleone catabolism is dependent on four contiguous genes that are conserved among the species we sequenced. Phylogenetic analysis of the sorgoleone degradation gene cluster showed that sorgoleone catabolism is enriched in sorghum-associated Streptomyces strains. The discovery of bacteria that grow on a compound like sorgoleone that is plant specific and not widely distributed in the environment, provides an opportunity to study how a plant exudate can enforce the development of a rhizosphere specific microbiome for the mutual benefit of plant and microbe. Significance The grain crop sorghum exudes an herbicidal compound called sorgoleone from its root tips, which inhibits the growth of other plants. We isolated bacteria that grow on sorogleone and identified a cluster of bacterial genes required for sorogleone degradation that can be used as a biomarker for this trait. An approach to improve the production of crops in stressful conditions such as drought, is to encourage their association with plant growth promoting bacteria. Our discovery of sorgoleone degradation genes opens the door to engineering bacteria that receive benefit from sorghum in the form of a plant-specific growth substrate, and in return promote the growth of this crop.

Abstract A major challenge in synthetic biology is properly balancing evolved and engineered functions without compromising microbial fitness. Many microbial proteins are not required for growth in regular laboratory conditions, but it is unclear what fraction of the proteome can be eliminated to increase bioproduction and maintain fitness. Here, we investigated the effects of massive genome reduction in E. coli on the expression level and evolutionary stability of a model biosynthetic pathway to produce the pigment protodeoxyviolacein (PDV). We identified an amino acid metabolism imbalance and compromised growth that were correlated with elimination of genes associated with significant proteome fraction. Proteomic profiling suggested that increased amino acid pools are responsible for an alleviation of fitness defects associated with PDV expression. In addition, all strains with genome reductions that significantly affected the proteome exhibited decreased stability of PDV production compared to the wild-type strain under persistent PDV expression conditions despite the alleviation of fitness defects. These findings exhibit the importance of balancing evolved functions with engineered ones to achieve an optimal balance of fitness and bioproduction.

Abstract Agriculture is the largest source of greenhouse gases (GHG) production. Conversion of nitrogen fertilizers into more reduced forms by microbes through a process known as biological nitrification drives GHG production, enhances proliferation of toxic algal blooms, and increases cost of crop production. Some plants reduce biological nitrification in soils by exuding a diverse array of biological nitrification inhibitors (BNIs) that inhibit the ammonium oxidizing microbes responsible for nitrification. Applying synthetic biology to enhance and transfer BNI production into food and bioenergy crops is a promising approach to reduce nitrification but the success of this strategy is contingent upon improving our limited understanding of BNIs mechanisms-of-action and degradation in the soil. We addressed this gap by investigating the previously unknown metabolic route through which a prominent class of aromatic BNIs known as phenylpropanoid methyl esters (PPMEs) are catabolized. While neither transcriptomics (RNAseq) or high-throughput functional genomics (RB-TnSeq) methods reduced the genetic search space for pathway discovery into a tenable number of genes, the combination of narrowed the search space to a collection of 4 proteins of unknown function. Using genetic and biochemical analyses we found that two previously uncharacterized enzymes, including a novel phenylpropanoid methyl esterase, funnel PPMEs into an established phenylpropanoid catabolism pathway. Transfer of these two enzymes into bacteria capable of using other phenylpropanoids use of PPMEs as carbon sources. This work both provided insight into BNI catabolism and is the first step towards development of model in vivo plant-microbe systems for studying BNI mechanisms under well controlled conditions.

Precision genome editing accelerates the discovery of the genetic determinants of phenotype and the engineering of novel behaviors in organisms. Advances in DNA synthesis and recombineering have enabled high-throughput engineering of genetic circuits and biosynthetic pathways via directed mutagenesis of bacterial chromosomes. However, the highest recombination efficiencies have to date been reported in persistent mutator strains, which suffer from reduced genomic fidelity. The absence of inducible transcriptional regulators in these strains also prevents concurrent control of genome engineering tools and engineered functions. Here, we introduce a new recombineering platform strain, BioDesignER, which incorporates (1) a refactored λ-Red recombination system that reduces toxicity and accelerates multi-cycle recombination, (2) genetic modifications that boost recombination efficiency, and (3) four independent inducible regulators to control engineered functions. These modifications resulted in single-cycle recombineering efficiencies of up to 25% with a seven-fold increase in recombineering fidelity compared to the widely used recombineering strain EcNR2. To facilitate genome engineering in BioDesignER, we have curated eight context-neutral genomic loci, termed Safe Sites, for stable gene expression and consistent recombination efficiency. BioDesignER is a platform to develop and optimize engineered cellular functions and can serve as a model to implement comparable recombination and regulatory systems in other bacteria.

ABSTRACT Interactions between plants and soil microbial communities that benefit plant growth and enhance nutrient acquisition are driven by the selective release of metabolites from plant roots, or root exudation. To investigate these plant-microbe interactions, we developed a photoaffinity probe based on sorgoleone ( so rgoleone d iazirine a lkyne for p hoto a ffinity l abeling, SoDA-PAL), a hydrophobic secondary metabolite and allelochemical produced in Sorghum bicolor root exudates. We applied SoDA-PAL to the identification of sorgoleone-binding proteins in Acinetobacter pittii SO1, a potential plant growth-promoting microbe isolated from sorghum rhizosphere soil. Competitive photoaffinity labeling of A. pittii whole cell lysates with SoDA-PAL identified 137 statistically enriched proteins, including putative transporters, transcriptional regulators, and a subset of proteins with predicted enzymatic functions. We performed computational protein modeling and docking with sorgoleone to prioritize candidates for experimental validation and then confirmed binding of sorgoleone to four of these proteins in vitro : the α/β fold hydrolase SrgB (OH685_09420), a fumarylacetoacetase (OH685_02300), a lysophospholipase (OH685_14215), and an unannotated hypothetical protein (OH685_18625). Our application of this specialized sorgoleone-based probe coupled with structural bioinformatics streamlines the identification of microbial proteins involved in metabolite recognition, metabolism, and toxicity, widening our understanding of the range of cellular pathways that can be affected by a plant secondary metabolite. IMPORTANCE Here, we demonstrate that a photoaffinity-based chemical probe modeled after sorgoleone, an important secondary metabolite released by sorghum roots, can be used to identify microbial proteins that directly interact with sorgoleone. We applied this probe to the sorghum-associated bacterium Acinetobacter pittii and showed that probe labeling is dose-dependent and sensitive to competition with purified sorgoleone. Coupling the probe with proteomics and computational analysis facilitated the identification of putative sorgoleone binders, including a protein implicated in a conserved pathway essential for sorgoleone catabolism. We anticipate that discoveries seeded by this workflow will expand our understanding of the molecular mechanisms by which specific metabolites in root exudates shape the sorghum rhizosphere microbiome.

ABSTRACT The rhizosphere represents a dynamic and complex interface between plant hosts and the microbial community found in the surrounding soil. While it is recognized that manipulating the rhizosphere has the potential to improve plant fitness and health, engineering the rhizosphere microbiome through inoculation has often proved challenging. This is in large part due to the competitive microbial ecosystem in which the added microbes must survive, and lack of adaptation of these added microbes to the specific metabolic and environmental pressures of the rhizosphere. Here, we constructed an inoculation formula using a defined synthetic community (dSynCom) approach that we hypothesized would improve engraftment efficiency and potentially the relationship with the host plant, Sorghum bicolor . The dSynCom was assembled from bacterial isolates that were either: 1) identified to potentially play a role in community cohesion through network analysis, or 2) identified to benefit from host-specific exudate compounds. Growth of the dSynCom was first evaluated in vitro on solid media, secondly in planta under gnotobiotic laboratory conditions, and finally using sorghum plants grown in the field. We demonstrate that the dSynCom performs best in terms of maintaining diversity when grown in the presence of the plant host in lab conditions, and that many lineages are lost from the community when grown either in vitro or in a native field setting. Finally, we demonstrate that the dSynCom is able to promote growth of above- and below-ground plant phenotypes compared to uninoculated controls, both in the lab and when applied to plants grown in the field. These results demonstrate the potential utility of SynComs for supporting crop performance even in the absence of persistence, and the need for a deeper mechanistic understanding of community control of host fitness in agricultural contexts.

Abstract Sorghum ( Sorghum bicolor ) is a major food and bioenergy grass species cultivated worldwide. To promote more robust and sustainable growth of this important crop, we need a deeper understanding of the plant-microbe interactions between sorghum and soil microbial communities that benefit plant host resiliency and enhance nutrient acquisition. The release of specific metabolites from plant roots, or root exudation, drives these plant-microbe interactions, but the molecular pathways by which root exudates shape the sorghum rhizosphere microbiome require further elucidation. To investigate these complex interkingdom interactions in the sorghum rhizosphere, we developed a photoaffinity probe based on sorgoleone, a hydrophobic secondary metabolite and allelochemical produced in sorghum seedling root exudates. Here, we apply a new synthetic sorgoleone diazirine alkyne photoaffinity probe (SoDA-PAL) to the identification of sorgoleone-binding proteins in Acinetobacter pittii SO1, a potential plant growth promoting microbe derived from Sorghum bicolor rhizosphere soil. Competitive photoaffinity labeling of A. pittii whole cell lysates with SoDA-PAL identified 137 statistically enriched proteins that were complementary to a previously identified gene cluster involved in sorgoleone catabolism. Proteins identified by SoDA-PAL included a select set of putative transporters, transcription regulators, and a subset of proteins with lipid and secondary metabolic activities. We confirm binding of SoDA-PAL to a putative hydrolase in the α/β fold family (OH685_09420) through structural bioinformatics and in-vitro recombinant protein analysis. This photoaffinity labeling approach using metabolite-based probes can be extended in the future to proteomic profiling of complex rhizosphere microbiomes to discover genes that can be leveraged to promote beneficial plant-microbe interactions. Importance Here we demonstrate a photoaffinity-based chemical probe modeled after sorgoleone, a known secondary metabolite released from the roots of sorghum, can be used to dissect complicated plant-microbe interactions. Applying this probe to the sorghum-associated bacterium Acinetobacter pittii identified diverse proteins that directly interact with sorgoleone. We show that probe labeling is dose-dependent and is sensitive to competition with purified sorgoleone, demonstrating the probe is selective for protein targets that directly interact with sorgoleone. By using the probe to broadly profile proteins that interact with sorgoleone, we identified bacterial catabolic pathways, unintuitive transcriptional regulation pathways, and vital exchange mechanisms involving transporters that may be involved in sorgoleone utilization and cellular response toward this plant metabolite. We envision that this workflow will expand our understanding of the sorghum root exudate interactome and elucidate the molecular mechanisms by which specific metabolites shape the sorghum rhizosphere microbiome.