Abstract Bacterial growth is classically assessed by measuring the increase in optical density of pure cultures in shaken liquid media. Measuring growth using optical density has severe limitations when studying multistrain interactions as it is not possible to measure the growth of individual strains within mixed cultures. Here we demonstrated that constitutively expressed fluorescent proteins can be used to track the growth of individual strains in different liquid media. Fluorescence measurements were highly correlated with optical density measurements and cell counts. This allowed us to assess bacterial growth not only in pure cultures, but also in mixed bacterial cultures and determine the impact of competitors on a focal strain, thereby assessing relative fitness. Furthermore, we were able to track the growth of two different strains simultaneously by using fluorescent proteins with differential excitation and emission wavelengths. Bacterial densities measured by fluorescence yielded more consistent data between technical replicates than optical density measurements. Our setup employs fluorescent microplate readers that allow for high throughput and replication. Importance We expand on an important limitation of the concept of measuring bacterial growth which is classically limited to one strain at a time. By adopting this approach, it is possible to measure growth of several bacterial strains simultaneously in high temporal resolution and in a high throughput manner. This is important to investigate bacterial interactions such as competition and facilitation.

Abstract In bacteria and archaea, tripartite ATP-independent periplasmic (TRAP) transporters uptake essential carboxylate- and sulfonate-containing nutrients into the cytoplasm. Unlike other secondary active transporters, TRAP transporters cannot receive their substrates directly, but do so indirectly via a secreted soluble substrate-binding protein. How a sodium-driven secondary active transporter is strictly coupled to a passenger-carrying substrate-binding domain is poorly understood. Here, we report the cryo-EM structure of the sialic acid TRAP transporter SiaQM from Photobacterium profundum at 2.97 Å resolution. SiaM has 12-TMs that come together to form a “transport” domain and a “scaffold” domain, with the transport domain consisting of helical hairpins as seen in the sodium-coupled elevator transporter VcINDY. Interestingly, the SiaQ protein forms intimate contacts with SiaM to extend the size of the scaffold domain, indicating TRAP transporters may operate as monomers, rather than the typically observed oligomers. We have identified the Na + and sialic acid binding sites in SiaM and confirmed a strict dependence on the substrate-binding protein SiaP for uptake. We have determined the SiaP crystal structure that, together with co-evolution driven docking studies, provides a molecular basis for how sialic acid is delivered to the SiaQM transporter complex. We conclude that TRAP proteins are conceptually a marriage between an ABC importer and a secondary active transporter, which we describe herein as an ‘elevator-with-an-operator’ mechanism.

Abstract Biosurfactant production is a common trait in leaf surface colonising bacteria that has been associated with increased survival and movement on leaves. At the same time the ability to degrade aliphatics is common in biosurfactant-producing leaf colonisers. Pseudomonads are common leaf colonisers and have been recognised for their ability to produce biosurfactants and degrade aliphatic compounds. In this study, we have investigated the role of biosurfactants in four non-plant plant pathogenic Pseudomonas strains by performing a series of experiments to characterise the surfactant properties, and their role during leaf colonisation and diesel degradation. The produced biosurfactants were identified using mass-spectrometry. Two strains produced viscosin-like biosurfactants and the other two produced Massetolide A-like biosurfactants which aligned with the phylogenetic relatedness between the strains. To further investigate the role of surfactant production, random Tn 5 transposon mutagenesis was performed to generate knockout mutants. The knockout mutants were compared to their respective wildtypes in their ability to colonise gnotobiotic Arabidopsis thaliana and to degrade diesel. It was not possible to detect negative effects during plant colonisation in direct competition or individual colonisation experiments. When grown on diesel, knockout mutants grew significantly slower compared to their respective wildtypes. By adding isolated wildtype biosurfactants it was possible to complement the growth of the knockout mutants. Importance Many leaf colonising bacteria produce surfactants and are able to degrade aliphatic compounds, however, if surfactant production provides a competitive advantage during leaf colonisation is unclear. Furthermore, it is unclear if leaf colonisers take advantage of the aliphatic compounds that constitute the leaf cuticle and cuticular waxes. Here we test the effect of surfactant production on leaf colonisation and demonstrate that the lack of surfactant production decreases the ability to degrade aliphatic compounds. This indicates that leaf surface dwelling, surfactant producing bacteria contribute to degradation of environmental hydrocarbons and may be able to utilise leaf surface waxes. This has implications for plant-microbe interactions and future studies.

Abstract Leaves are colonised by a complex mix of microbes, termed the leaf microbiota. Even though the leaf microbiota is increasingly recognised as an integral part of plant life and health, our understanding of its interactions with the plant host is still limited. Here, mature, axenically grown Arabidopsis thaliana plants were spray-inoculated with six diverse leaf-colonising bacteria. The transcriptomic changes in leaves were tracked over time and significant changes in ethylene marker ( ARL2 ) expression were observed only two to four days after spray-inoculation. Whole transcriptome sequencing revealed that four days after inoculation, leaf transcriptional changes to colonisation by non-pathogenic and pathogenic bacteria differed in strength but not in the type of response. Inoculation of plants with different densities of the non-pathogenic bacterium Williamsia sp. Leaf354 showed that high bacterial titers caused disease phenotypes and led to severe transcriptional reprogramming with a strong focus on plant defence. An in silico epigenetic analysis of the data was congruent with the transcriptomic analysis. These findings suggest (1) that plant responses are not rapid after spray-inoculation, (2) that plant responses only differ in strength and (3) that plants respond to high titers of non-pathogenic bacteria with pathogen-like responses. Plain Language Summary Plants are colonised by diverse bacteria affecting many aspects of plant life. Here we show that plants do not differentiate between different bacteria but measure their quantities to keep bacterial numbers in check.

ABSTRACT The phyllosphere is densely colonised by rich microbial communities, despite sparse and heterogeneously distributed resources. The limitation of resources is expected to drive bacterial competition resulting in exclusion or coexistence based on fitness differences and resource overlap between individual colonisers. We studied the impact of resource competition by determining the effects of different bacterial colonisers on the growth of the model epiphyte Pantoea eucalypti 299R (Pe299R). Resource overlap was predicted based on genome-scale metabolic modelling. By combining results of metabolic modelling and pairwise competitions in the Arabidopsis thaliana phyllosphere and in vitro , we found that ten resources sufficed to explain fitness of Pe299R. An effect of both resource overlap and phylogenetic relationships was found on competition outcomes in vitro as well as in the phyllosphere. However, effects of resource competition were much weaker in the phyllosphere when compared to in vitro experiments. When investigating growth dynamics and reproductive success at the single-cell resolution, resource overlap and phylogenetic relationships are only weakly correlated with epiphytic Pe299R reproductive success, indicating that the leaf’s spatial heterogeneity mitigates resource competition. Although the correlation is weak, the presence of competitors led to the development of Pe299R subpopulations that experienced different life histories and cell divisions. Surprisingly, in some in planta competitions, Pe299R benefitted from the presence of epiphytes despite high resource overlap to the competitor strain suggesting other factors having stronger effects than resource competition. This study provides fundamental insights into how bacterial communities are shaped in heterogeneous environments and provides a framework to predict competition outcomes.

ABSTRACT Why Earth has remained habitable for billions of years is a question that has long fostered debate in biology and earth sciences. Closed systems approaches have yielded information about the underlying mechanisms, including the persistence of matter recycling. However, the majority of these studies have been conducted under relatively homogenous conditions using aquatic systems. Here, we investigated the effect of spatial structure and heterogeneity on the persistence or failure of closed microbial biospheres. This mimics unsaturated soil-like conditions that were inoculated with a two species producer-decomposer community. Specifically, we investigated how microhabitat physical structure and necromass spatial distribution affected population dynamics and system time-to-failure. We observed strong effects of microhabitat structure, including particle size and moisture level, on persistence at both the population and system levels. Systems containing the smallest substrate particles failed quickly and on average did not support decomposer populations except at high initial cell densities. Persistence was promoted by larger substrate particles, likely due to larger pore sizes resulting in shorter movement distances and better accessibility to resource patches (i.e. necromass). Building on these findings, we manipulated necromass patch distribution and observed that algae clustered around necromass patches when present. Necromass patch distribution had small but significant effects on persistence, with lower persistence in intermediate vs. high or low necromass heterogeneity. Together these findings indicate a limit to the spatial/physical parameter space in which producer-decomposer communities can establish and self-sustain via self-recycling of necromass.

ABSTRACT Leaves host remarkably diverse microbes, collectively referred to as the leaf microbiota. While many beneficial functions have been attributed to the plant microbiota, the individual contributions of leaf-colonising bacteria range from pathogenic to mutualistic interactions. Omics approaches demonstrated that some leaf-colonising bacteria evoke substantial changes in gene expression and metabolic profiles in the plant host, including plant immunity. While omic approaches provide a system level view on cellular functions, they are costly and laborious, thereby severely limiting the throughput of the number of bacterial strains that can be tested in planta . To enable cost-effective high-throughput screens, we have developed a plant protoplast-based assay to measure real-time target gene expression changes following bacterial inoculation. Here, protoplasts were isolated from leaves of stable transgenic plants containing a pPR1:eYFP-nls construct. Changes in yellow fluorescence were captured for up to 96 treatments using a plate reader. This allowed the monitoring of changes in the salicylic acid-dependent plant immune response over time. Protoplast isolation per se evoked mild fluorescence responses, likely linked to endogenous salicylic acid production. This is advantageous in a bacterial assay, as bidirectional changes in PR1 expression can be measured. Plate reader-generated data were validated via fluorescence microscopy and RT-qPCR. Fluorescence microscopy further demonstrated heterogeneity in the response of individual protoplasts, which is potentially linked to differences in cell-type. In summary, the protoplast assay is an affordable and easily up-scalable way of measuring changes in target gene expression to bacterial colonisation.

Plants are colonised by millions of microorganisms representing thousands of species with varying effects on plant growth and health. The microbial communities found on plants are compositionally consistent and their overall positive effect on the plant is well known. However, the effects of individual microbiota members on plant hosts and vice versa, as well as the underlying mechanisms remain largely unknown. Here, we describe "Litterbox", a highly controlled system to investigate plant-microbe interactions. Plants were grown gnotobiotically on zeolite-clay, an excellent soil replacement that retains enough moisture to avoid subsequent watering. Plants grown on zeolite phenotypically resemble plants grown under environmental conditions. Further, bacterial densities on leaves in the Litterbox system resembled those in temperate environments. A PDMS sheet was used to cover the zeolite, thereby significantly lowering the bacterial load in the zeolite and rhizosphere. This reduced the likelihood of potential systemic responses in leaves induced by microbial rhizosphere colonisation. We present results of example experiments studying the transcriptional responses of leaves to defined microbiota members and the spatial distribution of bacteria on leaves. We anticipate that this versatile and affordable plant growth system will promote microbiota research and help in elucidating plant-microbe interactions and their underlying mechanisms.