Lotus japonicus has been used for decades as a model legume to study the establishment of binary symbiotic relationships with nitrogen-fixing rhizobia that trigger root nodule organogenesis for bacterial accommodation. Using community profiling of 16S rRNA gene amplicons, we reveal that in Lotus, distinctive nodule- and root-inhabiting communities are established by parallel, rather than consecutive, selection of bacteria from the rhizosphere and root compartments. Comparative analyses of wild-type (WT) and symbiotic mutants in Nod factor receptor5 (nfr5), Nodule inception (nin) and Lotus histidine kinase1 (lhk1) genes identified a previously unsuspected role of the nodulation pathway in the establishment of different bacterial assemblages in the root and rhizosphere. We found that the loss of nitrogen-fixing symbiosis dramatically alters community structure in the latter two compartments, affecting at least 14 bacterial orders. The differential plant growth phenotypes seen between WT and the symbiotic mutants in nonsupplemented soil were retained under nitrogen-supplemented conditions that blocked the formation of functional nodules in WT, whereas the symbiosis-impaired mutants maintain an altered community structure in the nitrogen-supplemented soil. This finding provides strong evidence that the root-associated community shift in the symbiotic mutants is a direct consequence of the disabled symbiosis pathway rather than an indirect effect resulting from abolished symbiotic nitrogen fixation. Our findings imply a role of the legume host in selecting a broad taxonomic range of root-associated bacteria that, in addition to rhizobia, likely contribute to plant growth and ecological performance.

Abstract Healthy plants are colonized by microorganisms from the surrounding environment, which form stable communities and provide beneficial services to the host. Culture-independent profiling of the bacterial root microbiota shows that different plant species are colonized by distinct bacterial communities, even if they share the same habitat. It is, however, not known to what extent the host actively selects these communities and whether commensal bacteria are adapted to a specific plant species. Here, we report a sequence-indexed culture collection from roots and nodules of the model legume Lotus japonicus that contains representatives from the majority of species found in culture-independent profiles. Using taxonomically paired synthetic communities from L. japonicus and the crucifer Arabidopsis thaliana in a multi-species gnotobiotic system, we detect clear signatures of host preference among commensal bacteria in a community context, but not in mono-associations. Sequential inoculation of either host reveals strong priority effects during the assembly of the root microbiota, where established communities are resilient to invasion by late-comers. However, we found that host preference by commensal bacteria confers a competitive advantage in their native host. We reveal that host preference is prevalent in commensal bacteria from diverse taxonomic groups and that this trait is directly linked to their invasiveness into standing root-associated communities.

Post-translational modification of receptor proteins is involved in activation and de-activation of signaling systems in plants. Both ubiquitination and deubiquitination have been implicated in plant interactions with pathogens and symbionts. Here we present LjPUB13, a PUB ARMADILLO repeat E3 ligase that specifically ubiquitinates the kinase domain of the Nod Factor receptor NFR5 and has a direct role in nodule organogenesis events in Lotus japonicus. Phenotypic analyses of three LORE1 retroelement insertion plant lines revealed that pub13 plants display delayed and reduced nodulation capacity and retarded growth. LjPUB13 expression is spatially regulated during symbiosis with Mesorhizobium loti, with increased levels in young developing nodules. Thus, LjPUB13 is an E3 ligase with a positive regulatory role during the initial stages of nodulation in L. japonicus.