In dieser Arbeit wurden zunächst die Kolonisationen von drei verschiedenen Pflanzengattungen durch den GFP-markierten Bacillus amyloliquefaciens FZB42 mittels confocaler Lasermikroskopie und Elektronmikroskopie verfolgt. Hier konnte gezeigt werden, dass FZB42 alle ausgewählten Pflanzen besiedeln konnte. Bei Arabidopsis- und Maiskeimlingen wurden die Wurzelhaare und Verbindungen, an denen laterale Wurzeln entstehen, durch FZB42 bevorzugt besiedelt. Weiterhin wurden bei Arabidopsis die Spitzen der Primärwurzeln, und bei Mais die Wurzelkerben bevorzugt besiedelt. Bei Lemna wurden FZB42 Zellansammlungen entlang der Furchen, die zwischen den Epidermiszellen der Wurzel liegen, sowie den intrazellulären Hohlräumen an der Blattunterfläche gefunden. Anschließend wurden die Transkriptome von FZB42, der mit Maiswurzelexudat angezogen wurde, mittels Microarray analysiert. Insgesamt wurden 302 Gene, die 8,2 % des Transkriptoms ausmachen, signifikant durch das Wurzelexudat beeinflusst, wobei die Mehrzahl (260 Gene) hochreguliert wurde. Die induzierten Gene, dessen Funktion bereits bekannt ist, sind hauptsächlich an dem Nährstoffwechsel, Chemotaxis und Beweglichkeit, sowie an der Produktion von Antibiotika beteiligt. Auch wurden die Trankriptome von sieben FZB42-Muatnten durch Microarray analysiert. Diese hatten jeweils eine Deletionen in fünf Sigmafaktor-Genen (sigB, sigD, sigM, sigV,and sigX) und zwei globalen Transkriptionsregulator-Genen (degU und abrB). Die Expression vieler Genen wird durch diese Genprodukte beeinflusst. Mögliche Mechanismen, wie diese Faktoren die bakterielle Reaktion auf Wurzelexsudaten beeinflüssen, wurden vorgeschlagen. Schließlich wurden Northernblott-Untersuchungen an möglichen sRNA-Kandidaten durchgeführt, dessen Expression signifikant durch Wurzelexudate beeinflusst wurde. Dabei konnten 6 von 20 vermeintlichen sRNA-Kandidaten betätigt werden. Dies weist auf eine noch unbekannte Rolle der sRNAs bei der Pflanzen-Mikroben-Wechselwirkung. / In this work colonization of three different plants genera, maize, Arabidopsis, and Lemna, by GFP-labeled Bacillus amyloliquefaciens FZB42 in a gnotobiotic system was firtly studied using confocal laser scanning microscopy and electron microscopy. It was shown that FZB42 is able to colonize all these three plants with a specific pattern. Root hairs and the junctions where lateral roots occurred were a preferred area of FZB42 on both maize and Arabidopsis seedlings. On Arabidopsis, tips of primary roots were another favored site of FZB42; while, on maize, the concavities in root surfaces were preferred. FZB42 cells were also able to colonize Lemna, preferably accumulating along the grooves between epidermis cells on roots and the concaved intercellular space on fronds. Secondly, microarray experiments were performed concerning the transcriptomic response of FZB42 to maize root exudates. A total of 302 genes representing 8.2% of FZB42 transcriptome were significantly altered in transcription by the presence of root exudates, the majority of them (260) were up-regulated in expression. The induced genes with known function were mainly involved in nutrition utilization, chemotaxis and motility, and antibiotic production. The transcriptome of seven FZB42 mutants, defective in five sigma factor genes (sigB, sigD, sigM, sigV, and sigX) and two global transcriptional regulator genes (degU and abrB), were also investigated through microarray experiments. A vast number of genes were indentified to be controlled by the protein factors respectively. Possible mechanisms were proposed of how these protein factors are involved in the response to root exudates. Finally, by northern blot existence of six out of 20 small RNA (sRNA) candidates was identified, which were significantly altered in expression by root exudates. This suggests that sRNA may play a hitherto unrecognized role in plant-microbe interaction.

Bacillus amyloliquefaciens FZB42 ist ein frei lebendes Bakterium, das Pflanzenwurzeln besiedelt und das Pflanzenwachstum durch viele verschiedene Wirkmechanismen anregt. In dieser Arbeit wurden die molekularen Grundlagen dieser positiven Wirkungen, die dieses „Pflanzenwachstum fördernde Rhizobakterium“ (PGPR) auf seine Wirte ausübt, untersucht. Um den gegenseitigen Austausch von B. amyloliquefaciens und seinen Wirtspflanzen zu entschlüsseln, wurden umfangreiche Proteomstudien durchgeführt. Es wurden Referenzkarten der extrazellulären und zytosolischen Proteinfraktionen erstellt. Die größte Anzahl an ausgeschiedenen Proteinen konnte während der stationären Phase beobachtet werden. Die identifizierten extrazellulären Proteine gehören verschiedenen Funktionsklassen an, wobei die prominentesten Klassen am Kohlenhydrat-Abbau und den Transport von Molekülen durch die Zellwand beteiligt sind. Die zytosolischen Extrakte von Kulturen, die in 1C-Medium bzw. Mineralmedium angezogen wurden, und in der zweidimensionalen Gelelektrophorese (2 DE) aufgetrennt wurden, ergaben 461 und 245 verschiedene Protein-Einträge. Die erstellten Referenz-Karten wurden anschließend verwendet, um Proteine und Prozesse, in an der Interaktion mit Pflanzen beteiligt sind, zu identifizieren. Dafür wurden die Bakterien Wurzelexudaten von Mais (Zea mays L.) ausgesetzt. Die Proteine aus zwei Stämmen, denen die globalen Transkriptionsregulatoren (Degu, AbrB) und vier Sigma-Faktoren (SigB, SigM, SigV, und SigX) fehlen, wurden ebenfalls untersucht, um ihre Beteiligung an den bakteriellen Reaktionen auf die Wurzelausscheidungen zu analysieren. Zusammenfassend ist dies die erste Studie, die umfangreiche Proteomdaten von Gram-positiven PGPR präsentiert, wobei gleichzeitig die Veränderung der Expression von extrazellulären und zytoplasmatischen Proteinen, nach Zugabe von Wurzelexudaten, ausgewertet wurde. / Bacillus amyloliquefaciens strain FZB42 is a free-living bacterium that competitively colonizes plant roots and stimulates plant growth by many different modes of action. The molecular basis of singular beneficial effects that this Plant Growth-Promoting Rhizobacteria (PGPR) exert on their hosts have been studied. To decipher the molecular cross-talk of B. amyloliquefaciens and its’ host plants as a whole system, an extensive proteomic approach was performed. Reference maps of the extracellular and cytosolic protein fractions were established. The highest number of secreted proteins was observed during stationary growth phase. Identified extracellular proteins belong to different functional classes, with the most prominent classes involved in carbohydrate degradation and transportation of molecules across the cell wall. Cytosolic extracts obtained from cultures grown in 1C and minimal media subjected to the 2 Dimensional Electrophoresis (2 DE), revealed 461 and 245 different protein entries, respectively. Created reference maps were subsequently used to identify proteins and processes involved in the interaction with plants, prior to exposure of bacteria to maize (Zea mays L.) root exudates. The proteomics of two strains lacking expression of genes coding for global transcriptional regulators (degU, abrB) and four sigma factors (sigB, sigM, sigV, and sigX) were also inves-tigated, in order to analyse their involvement in bacterial responses to root exudates. In summary, this is the first study presenting comprehensive proteomics of Gram-positive PGPR, evaluating at the same time changes in protein expression caused by addition of root exudates at the extracellular and cytosolic level.