ABSTRACT Members of the Rhizobiales are polarly-growing bacteria that lack homologs of the canonical rod complex. To investigate the mechanisms underlying polar cell wall synthesis, we systematically probed the function of cell wall synthesis enzymes in the plant-pathogen Agrobacterium tumefaciens . The development of fluorescent d -amino acid dipeptide (FDAAD) probes, which are incorporated into peptidoglycan by penicillin-binding proteins in A. tumefaciens , enabled us to monitor changes in growth patterns in the mutants. Use of these fluorescent cell wall probes and peptidoglycan compositional analysis convincingly demonstrate that a single class A penicillin-binding protein is essential for polar peptidoglycan synthesis. Furthermore, we find evidence of an alternative mode of cell wall synthesis that likely requires ld -transpeptidase activity. Genetic analysis and cell wall targeting antibiotics reveal that the mechanism of unipolar growth is conserved in Sinorhizobium and Brucella . This work provides insights into unipolar peptidoglycan biosynthesis employed by the Rhizobiales during cell elongation.

Peptidoglycan (PG), a mesh-like structure which is the primary component of the bacterial cell wall, is crucial to maintain cell integrity and shape. While most bacteria rely on penicillin binding proteins (PBPs) for crosslinking, some species employ LD-transpeptidases (LDTs). Unlike PBPs, the essentiality and biological functions of LDTs remain largely unclear. The Hyphomicrobiales order of the Alphaproteobacteria, known for their polar growth, have PG which is unusually rich in LD-crosslinks, suggesting that LDTs may play a more significant role in PG synthesis in these bacteria. Here, we investigated LDTs in the plant pathogen Agrobacterium tumefaciens and found that LD-transpeptidation, resulting from at least one of 14 putative LDTs present in this bacterium, is essential for its survival. Notably, a mutant lacking a distinctive group of 7 LDTs which are broadly conserved among the Hyphomicrobiales exhibited reduced LD-crosslinking and tethering of PG to outer membrane β-barrel proteins. Consequently, this mutant suffered severe fitness loss and cell shape rounding, underscoring the critical role played by these Hyphomicrobiales-specific LDTs in maintaining cell wall integrity and promoting elongation. Tn-sequencing screens further revealed non-redundant functions for A. tumefaciens LDTs. Specifically, Hyphomicrobiales-specific LDTs exhibited synthetic genetic interactions with division and cell cycle proteins, and a single LDT from another group. Additionally, our findings demonstrate that strains lacking all LDTs except one displayed distinctive phenotypic profiles and genetic interactions. Collectively, our work emphasizes the critical role of LD-crosslinking in A. tumefaciens cell wall integrity and growth and provides insights into the functional specialization of these crosslinking activities.

The mechanisms that restrict peptidoglycan biosynthesis to the pole during elongation and re-direct peptidoglycan biosynthesis to mid-cell during cell division in polar-growing Alphaproteobacteria are largely unknown. Here, we demonstrate that although two of the three FtsZ homologs localize to mid-cell, exhibit GTPase activity and form co-polymers, only one, FtsZAT, is required for cell division. We find that FtsZAT is required not only for constriction and cell separation, but also for the termination of polar growth and regulation of peptidoglycan synthesis at mid-cell. Depletion of FtsZ in A. tumefaciens causes a striking phenotype: cells are extensively branched and accumulate growth active poles through tip splitting events. When cell division is blocked at a later stage, polar growth is terminated and ectopic growth poles emerge from mid-cell. Overall, this work suggests that A. tumefaciens FtsZ makes distinct contributions to the regulation of polar growth and cell division.

Abstract The bacterial cell wall is made of peptidoglycan (PG), a polymer that is essential for maintenance of cell shape and survival. Many bacteria alter their PG chemistry as a strategy to adapt their cell wall to environmental challenges. Therefore, identifying these factors is important to better understand the interplay between microbes and their habitat. Here we used the soil bacterium Pseudomonas putida to uncover cell wall modulators from plant extracts and found canavanine (CAN), a non-proteinogenic amino acid. We demonstrated that cell wall chemical editing by CAN is licensed by P. putida BsrP, a broad-spectrum racemase which catalyzes production of D-CAN. Remarkably, D-CAN alters dramatically the PG structure of Rhizobiales (e.g. Agrobacterium tumefaciens, Sinorhizobium meliloti ), impairing PG synthesis, crosslinkage and cell division. Using A. tumefaciens we demonstrated that the detrimental effect of D-CAN is suppressed by a single amino acid substitution in the cell division PG transpeptidase penicillin binding protein 3a. Collectively, this work provides a fascinating example of how interspecies metabolic crosstalk can be a source of novel cell wall regulatory molecules to govern microbial biodiversity.