Surface polysaccharides are important for bacterial interactions with multicellular organisms, and some are virulence factors in pathogens. In the legume–rhizobium symbiosis, bacterial exopolysaccharides (EPS) are essential for the development of infected root nodules. We have identified a gene in Lotus japonicus, Epr3, encoding a receptor-like kinase that controls this infection. We show that epr3 mutants are defective in perception of purified EPS, and that EPR3 binds EPS directly and distinguishes compatible and incompatible EPS in bacterial competition studies. Expression of Epr3 in epidermal cells within the susceptible root zone shows that the protein is involved in bacterial entry, while rhizobial and plant mutant studies suggest that Epr3 regulates bacterial passage through the plant’s epidermal cell layer. Finally, we show that Epr3 expression is inducible and dependent on host perception of bacterial nodulation (Nod) factors. Plant–bacterial compatibility and bacterial access to legume roots is thus regulated by a two-stage mechanism involving sequential receptor-mediated recognition of Nod factor and EPS signals. This paper describes the discovery of the exopolysaccharide receptor (Epr3) in plants, and shows that its expression is induced upon perception of the bacterial Nod factors; the EPR3 receptor recognizes exopolysaccharides on the surface of rhizobia, thus controlling the symbiotic infection of the roots of legumes. Rhizobium bacteria infect the roots of legumes, where they induce the formation of nitrogen-fixing root nodules. This symbiotic relationship is of agricultural importance as it reduces the need for nitrogen fertilizers. But how do legumes recognize these beneficial partners among thousands of incompatible soil bacteria they encounter? It is known that exopolysaccharides on the surface of bacteria are important for interactions of these microorganisms with multicellular organisms and here Jens Stougaard and coworkers identify an exopolysaccharide receptor (EPR3) that mediates recognition of rhizobia in the wild legume Lotus japonicus. EPR3 expression is induced upon perception of bacterial signalling molecules known as Nod factors. The receptor recognizes compatible exopolysaccharides, thus controlling the symbiotic infection.

Abstract Nucleotide-binding site leucine-rich repeat resistance genes (NLRs) allow plants to detect microbial effectors. We hypothesized that NLR expression patterns would reflect organ-specific differences in effector challenge and tested this by carrying out a meta-analysis of expression data for 1,235 NLRs from 9 plant species. We found stable NLR root/shoot expression ratios within species, suggesting organ-specific hardwiring of NLR expression patterns in anticipation of distinct challenges. Most monocot and dicot plant species preferentially expressed NLRs in roots. In contrast, Brassicaceae species, including oilseed rape and the model plant Arabidopsis thaliana , were unique in showing NLR expression skewed towards the shoot across multiple phylogenetically distinct groups of NLRs. The Brassicaceae NLR expression shift coincides with loss of the endomycorrhization pathway, which enables intracellular root infection by symbionts. We propose that its loss offer two likely explanations for the unusual Brassicaceae NLR expression pattern: loss of NLR-guarded symbiotic components and elimination of constraints on general root defences associated with exempting symbionts from targeting. This hypothesis is consistent with the existence of Brassicaceae -specific receptors for conserved microbial molecules and suggests that Brassicaceae species are rich sources of unique antimicrobial root defences.

Abstract Rhizobial infection of legume roots during development of nitrogen fixing root nodules occurs either intracellularly though plant derived infection threads traversing the epidermal and cortical cell layers to deliver the bacteria or intercellularly via bacterial entry between epidermal plant cells. Although, around 25% of all legume genera are postulated to be intercellularly infected, the pathways and mechanisms supporting this process has remained virtually unexplored due to lack of genetically amenable legumes that have this infection mode. In this study, we report that the model legume Lotus japonicus is infected intercellularly by Rhizobium sp. IRBG74 and demonstrate that the resources available in Lotus enable insight into the genetic requirements and the fine-tuning of the pathway governing intercellular infection. Inoculation of Lotus mutants shows that Ern1 and RinRK1 are dispensable for intercellular infection in contrast to intracellular infection. Other symbiotic genes, including Nfr5, SymRK, CCaMK, Epr3, Cyclops, Nin, Nsp1, Nsp2, Cbs and Vpy1 are equally important for both entry modes. Comparative RNAseq analysis of roots inoculated with IRBG74 revealed a distinctive transcriptome response compared to intracellular colonization. In particular, a number of cytokinin-related genes were differentially regulated. Corroborating this observation cyp735A and ipt4 cytokinin biosynthesis mutants were significantly affected in their nodulation with IRBG74 while lhk1 cytokinin receptor mutants did not form any nodules. These results indicate that a differential requirement for cytokinin signalling conditions intercellular rhizobial entry and highlight the distinct modalities of the inter- and intra-cellular infection mechanisms.

The symbiosis between Mesorhizobium japonicum R7A and Lotus japonicus Gifu is an important model system for investigating the role of bacterial exopolysaccharides (EPS) in plant-microbe interactions. Previously, we showed that R7A exoB mutants that are affected at an early stage of EPS synthesis and in lipopolysaccharide (LPS) synthesis induce effective nodules on L. japonicus Gifu after a delay, whereas exoU mutants affected in the biosynthesis of the EPS side chain induce small uninfected nodule primordia and are impaired in infection. The presence of a halo around the exoU mutant when grown on Calcofluor-containing media suggested the mutant secreted a truncated version of R7A EPS. A nonpolar Δ exoA mutant defective in the addition of the first glucose residue to the EPS backbone was also severely impaired symbiotically. Here, we used a suppressor screen to show that the severe symbiotic phenotype of the exoU mutant was due to the secretion of an acetylated pentasaccharide, as both monomers and oligomers, by the same Wzx/Wzy system that transports wild-type exopolysaccharide. We also present evidence that the Δ exoA mutant secretes an oligosaccharide by the same transport system, contributing to its symbiotic phenotype. In contrast, Δ exoYF and polar exoA and exoL mutants have a similar phenotype to exoB mutants, forming effective nodules after a delay. These studies provide substantial evidence that secreted incompatible EPS is perceived by the plant, leading to abrogation of the infection process. [Formula: see text] Copyright © 2024 The Author(s). This is an open access article distributed under the CC BY-NC-ND 4.0 International license .

Summary Accounting for intraspecific variation may improve our understanding of species coexistence. However, our knowledge of what factors maintain intraspecific variation is limited. We predicted that 1) a plant grows larger when with non-kin (i.e. different genotypes) than kin (i.e. same genotype) neighbors, 2) abiotic stress alters the outcome of kin vs. non-kin interactions, 3) genetic identity of plants affects composition of soil microbiome. We set up mini-communities of Medicago truncatula , where focal genotypes were grown together with two kin or two non-kin neighbors from different origins. We analyzed how origin, identity of interacting genotypes and abiotic stress affected growth and fruit production. We also analyzed the composition of soil microbial communities. Focal plants grew larger in non-kin than in kin mini-communities. This pattern was stronger in low level of abiotic stress and when interacting genotypes were from similar origins. However, genotypic variation in growth and response to competition had a stronger effect on growth than mini-community type. Plant genotype identity did not affect soil microbiome. We find that intraspecific variation is affected by genotype-specific traits and abiotic stress. Geographic, rather than genetic, distance among interacting genotypes affects the outcome of intraspecific interactions.

Host-associated microbiota follow predictable assembly patterns but exhibit significant variation at the bacterial isolate level, depending on the host and environmental context. This variability poses challenges for studying, predicting, and engineering microbiomes. Here we examined how Arabidopsis, Barley, and Lotus plants recruit specific bacteria from highly complex synthetic communities (SynComs) composed of hundreds of bacterial isolates originating from these plants when grown in natural soil. We discovered that, despite their taxonomic diversity, bacteria enriched by these three plant species encode largely overlapping functions. A set of 266 functions common among all host-associated communities was identified at the foundation of the microbiota's functional potential. Analysis of the differences observed between root-associated communities revealed that functions recruited by Arabidopsis and Barley were primarily driven by the SynCom composition, while Lotus selected fewer isolates but with more diverse functionalities, akin to a "Swiss army knife" strategy. We analysed the variation at the functional level and found this can be explained by the combined functions of bacteria at the family level. Additionally, across major taxa, the isolates covering a broader range of their family's functional diversity achieved higher relative abundance in the root communities. Our work sheds light on key functions and principles guiding the recruitment of bacterial isolates into root microbiota, offering valuable insights for microbiome engineering and inoculant discovery at a previously inaccessible taxonomic level.

Abstract Symbiosis with soil-dwelling bacteria that fix atmospheric nitrogen allows legume plants to grow in nitrogen-depleted soil. Symbiosis impacts the assembly of root microbiota, but it is not known how this process takes place and whether it is independent of nitrogen nutrition. We use plant and bacterial mutants to address the role of Nod factor signaling on Lotus japonicus root microbiota assembly. We found that Nod factors are produced by symbionts to activate Nod factor signaling in the host, and this modulates the assembly of a symbiotic root microbiota. Lotus plants grown in symbiosis-permissive or suppressive soils delineated three nitrogen-dependent nutritional states: starved, symbiotic, or inorganic. We found that root and rhizosphere microbiomes associated with these states differ in composition and connectivity, demonstrating that symbiosis and inorganic nitrogen impact the legume root microbiota differently. Finally, we demonstrated that selected bacterial genera delineating state-dependent microbiomes have a high level of accurate prediction.