Abstract Seed microbial community constitutes a primary inoculum for plant microbiota assembly. Still, the persistence of seed microbiota when seeds encounter soil during plant emergence and early growth is barely documented. Here, we characterized the interchange event or coalescence of seed and soil microbiota and how it structured seedling bacterial and fungal communities. We performed eight contrasted coalescence events to identify drivers influencing seedling microbiota assembly: four seed lots of two Brassica napus genotypes were sown in two soils of contrasted diversity. We found that seedling root and stem microbiota were influenced by soil diversity but not by initial seed microbiota composition. A strong selection on the two-source communities occurred during microbiota assembly, with only 8-32% of soil taxa and 0.8-1.4% of seed-borne taxa colonizing seedlings. The recruitment of seedling microbiota came mainly from soil (35-72% of diversity) and not from seeds (0.3-15%). The outcome of seed and soil microbiota coalescence is therefore strongly asymmetrical with a dominance of soil taxa. Interestingly, seedling microbiota was primarily composed of initially rare taxa (from seed, soil or unknown origin) and sub-dominant soil taxa. Our results suggest that plant microbiome engineering success based on native seed or soil microbiota will rely on rare and sub-dominant taxa in source communities.

ABSTRACT Seed microbiota constitutes a primary inoculum for plants that is gaining attention due to its role for plant health and productivity. Here, we performed a meta-analysis on 63 seed microbiota studies covering 50 plant species to synthesize knowledge on the diversity of this habitat. Seed microbiota are diverse and extremely variable, with taxa richness varying from one to thousands of taxa. Hence, seed microbiota presents a variable (i.e flexible) microbial fraction but we also identified a stable (i.e. core) fraction across samples. Around 30 bacterial and fungal taxa are present in most plant species and in samples from all over the world. Core taxa, such as Pantoea agglomerans, Pseudomonas viridiflava, P. fluorescens, Cladosporium perangustum and Alternaria sp ., are dominant seed taxa. The characterization of the core and flexible seed microbiota provided here will help uncover seed microbiota roles for plant health and design effective microbiome engineering.

Abstract The temporal dynamics of rhizosphere and root microbiota composition was compared between healthy and infected Chinese cabbage plants by the pathogen Plasmodiophora brassicae . When inoculated with P. brassicae , disease was measured at five sampling dates from early root hair infection to late gall development. The first symptoms of clubroot disease appeared 14 days after inoculation (DAI) and increased drastically between 14 and 35 DAI. The structure of microbial communities associated to rhizosphere soil and root from healthy and inoculated plants was characterized through high-throughput DNA sequencing of bacterial (16S) and fungal (18S) molecular markers and compared at each sampling date. In healthy plants, Proteobacteria and Bacteroidetes bacterial phyla dominated the rhizosphere and root microbiota of Chinese cabbage. Rhizosphere bacterial communities contained higher abundances of Actinobacteria and Firmicutes compared to the roots. Moreover, a drastic shift of fungal communities of healthy plants occurred between the two last sampling dates, especially in plant roots, where most of Ascomycota fungi dominated until they were replaced by a fungus assigned to the Chytridiomycota phylum. Parasitic invasion by P. brassicae disrupted the rhizosphere and root-associated community assembly at a late step during the root secondary cortical infection stage of clubroot disease. At this stage, Flavisolibacter and Streptomyces in the rhizosphere, and Bacillus in the roots, were drastically less abundant upon parasite invasion. Rhizosphere of plants colonized by P. brassicae was significantly more invaded by the Chytridiomycota fungus, which could reflect a mutualistic relationship in this compartment between these two microorganisms.

Synthetic Communities (SynComs) are being developed and tested to manipulate plant microbiota and improve plant health. To date, only few studies proposed the use of SynCom on seed despite its potential for plant microbiota engineering. We developed and presented a simple, reproducible and effective seedling microbiota engineering method using SynCom inoculation on seeds. The method was successful using a wide diversity of SynCom compositions and bacterial strains that are representative of the common bean seed microbiota. First, this method enables the modulation of seed microbiota composition and community size. Then, SynComs strongly outcompeted native seed and potting soil microbiota and contributed on average to 80% of the seedling microbiota. We showed that strain abundance on seed was a main driver of an effective seedling microbiota colonization. Also, selection was partly involved in seed and seedling colonization capacities since strains affiliated to Enterobacteriaceae and Erwiniaceae were good colonizers while Bacillaceae and Microbacteriaceae were poor colonizers. Additionally, the engineered seed microbiota modified the recruitment and assembly of seedling and rhizosphere microbiota through priority effects. This study shows that SynCom inoculation on seeds represents a promising approach to study plant microbiota assembly and its consequence on plant fitness.

ABSTRACT Stenotrophomonas rhizophila CFBP13503 is a seed-borne commensal bacterial strain, which is efficiently transmitted to seedlings and can outcompete the phytopathogenic bacteria Xanthomonas campestris pv. campestris (Xcc8004). The type VI Secretion System (T6SS), an interference contact-dependent mechanism, is a critical component of interbacterial competition. The involvement of the T6SS of S. rhizophila CFBP13503 in the inhibition of Xcc8004 growth and seed-to-seedling transmission was assessed. The T6SS cluster of S. rhizophila CFBP13503 and nine putative effectors were identified. Deletion of two T6SS structural genes, hcp and tssB , abolished the competitive advantage of S. rhizophila against Xcc8004 in vitro . The population sizes of these two bacterial species were monitored in seedlings after inoculation of radish seeds with mixtures of Xcc8004 and either S. rhizophila wild type (wt) strain or isogenic hcp mutant. A significant decrease in the population size of Xcc8004 was observed during confrontation with the S. rhizophila wt in comparison to T6SS- deletion mutants in germinated seeds and seedlings. We found that the T6SS distribution among 835 genomes of the Stenotrophomona s genus is scarce. In contrast, in all available S. rhizophila genomes, T6SS clusters are widespread and mainly belong to the T6SS group i4. In conclusion, the T6SS of S. rhizophila CFBP13503 is involved in the antibiosis against Xcc8004 and reduces seedling transmission of Xcc8004 in radish. The distribution of this T6SS cluster in the S. rhizophila complex could make it possible to exploit these strains as biocontrol agents against X. campestris pv. campestris .

Seed-borne microorganisms can be pioneer taxa during germination and seedling emergence. Still, the identity and phenotypic effects of these taxa that constitute a primary inoculum of plant microbiota is mostly unknown. Here, we studied the transmission of bacteria from radish seeds to seedlings using the inoculation of individual seed-borne strains and synthetic communities (SynComs) under in vitro conditions. The SynComs were composed of highly abundant and prevalent, sub-dominant or rare bacterial seed taxa. We monitored the transmission of each strain alone or in communities using gyrB gene amplicon sequencing and assessed their impacts on germination and seedling phenotype. All strains and SynComs successfully colonized seedlings and we were able to reconstruct a richness gradient (6, 8 and 12 strains) on both seeds and seedlings. Stenotrophomonas rhizophila became dominant on seedlings of the three SynComs but most strains had variable transmission success (i.e increasing, stable or decreasing during seed to seedling transition) that also depended on the SynCom richness. Most individual strains had no effect on seedling phenotypes, at the exception of Pseudomonas viridiflava and Paenibacillus sp. that had detrimental effects on germination and seedling development. Abnormal seedling morphologies were also observed with SynComs but their proportions decreased at the highest richness level. Interestingly, some bacterial strains previously identified as core taxa of radish seeds (Pseudomonas viridiflava, Erwinia persicina) were associated with detrimental effects on seedling phenotypes either in isolation or in SynComs. These results confirm that the plant core microbiome includes pathogenic and not only commensal or mutualistic taxa. Altogether, these results show that SynCom inoculation can effectively manipulate seed and seedling microbiota diversity and thus represents a promising tool to better understand the early stages of plant microbiota assembly. This study also highlights strong differences between native seed-borne taxa in the colonization and survival on plant habitats.

ABSTRACT Seeds harbor diverse microbial communities important for plant growth and health. During germination, seed exudation triggers intense microbial competition, shaping the communities transmitted to seedlings. This study explores the role of the bacterial type VI secretion system (T6SS)-mediated interference competition in seed microbiota transmission to seedlings. Distribution of T6SS within 180 genome sequences of seed-borne bacterial strains enabled the construction of SynCom with different levels of phylogenetic diversity and T6SS richness. These SynComs were inoculated with Stenotrophomonas rhizophila CFBP13503, a bacterial strain which possesses a T6SS active in vitro and in planta . SynComs compositions were compared in vitro with CFBP13503 wild-type strain or its isogenic T6SS-deficient mutant. Additionally, the effects of T6SS on the whole bacterial community dynamics during seed-to-seedling transmission were examined following seed-inoculation. The T6SS of S. rhizophila CFBP13503 targeted a large number of bacteria belonging to 5 different families The phylogenetic proximity and metabolic overlap of preys with CFBP13503 partly explains the sensitivity phenotype observed. The T6SS of CFBP13503 modulates the abundance of a few specific bacterial taxa during seed-to-seedling transmission depending on seed microbial initial inoculation and plant stage. Depending on the sensitivity of the co-inoculated competitors, the T6SS can provide a competitive advantage to CFBP13503, resulting in an increase in population size. Importance The high prevalence of T6SS in seed-borne bacteria supports the importance of T6SS-mediated competition for seed microbiota assembly. In vitro , S. rhizophila CFBP13503 T6SS exerts a strong impact on bacterial community dynamics. The susceptibility to T6SS increases with the phylogenetic and metabolic proximity of bacteria to CFBP13503, suggesting an influence of interspecies trophic patterns in T6SS-mediated competitions. In planta and in soil, CFBP13503 T6SS influences specific bacterial taxa, leading to shifts in bacterial interactions and distinct community dynamics. T6SS-mediated competition plays a pivotal role in shaping seed bacterial communities and the dynamics of seed-to-seedling transitions.

The contribution of surrounding plant microbiota to disease development has led to the postulation of the ‘pathobiome’ concept, which represents the interaction between the pathogen, the host-plant, and the associated biotic microbial community, resulting or not in plant disease. The structure, composition and assembly of different plant-associated microbial communities (soil, rhizosphere, leaf, root) are more and more described, both in healthy and infected plants. A major goal is now to shift from descriptive to functional studies of the interaction, in order to gain a mechanistic understanding of how microbes act on plant growth and defense, and/or on pathogen development and pathogenicity. The aim herein is to understand how the soil microbial environment may influence the functions of a pathogen and its pathogenesis, as well as the molecular response of the plant to the infection, with a dual-RNAseq transcriptomics approach. We address this question using Brassica napus and Plasmodiophora brassicae, the pathogen responsible for clubroot. A time‐course experiment was conducted to study interactions between P. brassicae, two B. napus genotypes, and three soils harboring High (H), Medium (M) or Low (L) microbiota diversities and displaying different levels of richness and diversity. The soil microbial diversity levels had an impact on disease development (symptom levels and pathogen quantity). The P. brassicae and B. napus transcriptional patterns were modulated by these microbial diversities, and the modulations were dependent of the host genotype plant and the kinetic time. The functional analysis of gene expressions allowed the identification of pathogen and plant-host functions potentially involved in the change of plant disease level, such as pathogenicity-related genes (NUDIX effector) in P. brassicae and plant defense-related genes (glucosinolate metabolism) in B. napus.