Endosymbiotic bacteria nodulating a new endemic lupine Lupinus mariae-josephi from alkaline soils in Eastern Spain represent a new lineage within the Bradyrhizobium genus

Lupinus mariae-josephi is a recently described endemic Lupinus species from a small area in Eastern Spain where it thrives in soils with active lime and high pH. The L. mariae-josephi root symbionts were shown to be very slow-growing bacteria with different phenotypic and symbiotic characteristics from those of Bradyrhizobium strains nodulating other Lupinus. Their phylogenetic status was examined by multilocus sequence analyses of four housekeeping genes (16S rRNA, glnII, recA, and atpD) and showed the existence of a distinct evolutionary lineage for L. mariae-josephi that also included Bradyrhizobium jicamae. Within this lineage, the tested isolates clustered in three different sub-groups that might correspond to novel sister Bradyrhizobium species. These core gene analyses consistently showed that all the endosymbiotic bacteria isolated from other Lupinus species of the Iberian Peninsula were related to strains of the B. canariense or B. japonicum lineages and were separate from the L. mariae-josephi isolates. Phylogenetic analysis based on nodC symbiotic gene sequences showed that L. mariae-josephi bacteria also constituted a new symbiotic lineage distant from those previously defined in the genus Bradyrhizobium. In contrast, the nodC genes of isolates from other Lupinus spp. from the Iberian Peninsula were again clearly related to the B. canariense and B. japonicum bv. genistearum lineages. Speciation of L. mariae-josephi bradyrhizobia may result from the colonization of a singular habitat by their unique legume host.

Lupinus mariae-josphi, a new lupin endemic of soils with active lime and high pH in South Eastern Spain, is nodulated by a new bacterial lineage within Bradyrhizobium genus

Lupinus mariae-josephi is a recently described species (Pascual, 2004) able to grow in soils with high pH and active lime content in the Valencia province (Spain). L. mariae-josephi endosymbionts are extremely slowgrowing bacteria with genetic and symbiotic characteristics that differentiate them from Bradyrhizobium strains nodulating Lupinus spp. native of the Iberian Peninsula and adapted to grow in acid soils. Cross-inoculation experiments revealed that all the endosymbiotic isolates from L. mariae-josephi tested are legume-host selective and are unable to nodulate species such as L. angustifolius, and L. luteus. In contrast, Bradyrhizobium strains from Lupinus spp. tested were able to nodulate L. mariae-josephi, although the nodules fixed nitrogen inefficiently. Phylogenetic analysis was performed with housekeeping genes (rrn, glnII, recA, atpD) and nodulation gene nodC. Housekeeping gene phylogeny revealed that L. mariae-josephi rhizobia form a strongly supported monophyletic group within Bradyrhizobium genus. This cluster also includes B. jicamae and certain strains of B. elkanii. Contrarily, isolates from other Lupinus spp. native of the Iberian Peninsula were grouped mainly within B. canariense and two B. japonicum lineages. Phylogenetic analysis of L. mariae-josephi isolates based on the nodC symbiotic gene defined a solid clade close to isolates from Algerian Retama spp. and to fast-growing rhizobia.

Bradyrhizobium sp. lmjc necesita un sistema de secreción tipo III para nodular eficientemente al altramuz valenciano (Lupinus Mariae-Josephae).

La mayoría de las leguminosas establecen una simbiosis con bacterias denominadas rizobios que fijan dinitrógeno en estructuras especializadas llamadas nódulos a cambio de fotosintatos. Existen varios elementos que hacen esta interacción específica y efectiva, entre ellos se encuentra la presencia, en algunos rizobios, de estructuras tubulares que introducen proteínas de la bacteria (efectores) en el citoplasma de células vegetales. En nuestro estudio de la interacción de la bacteria designada como Bradyrhizobium sp. LmjC con el altramuz valenciano L. mariae-josephae Pascual, hemos demostrado que existe uno de esos sistemas de secreción de tipo III y que éste es esencial para una simbiosis eficiente. Además hemos iniciado la caracterización de un posible efector denominado NopE y por último estamos estudiando otros rasgos fenotípicos de dicha bacteria como su resistencia a antibióticos, su crecimiento con distintas fuentes de carbono, su tiempo de generación y otras pruebas bioquímicas como la actividad ureasa.

Reintroducción del altramuz endémico valenciano Lupinus mariaejosephae mediante la inoculación de cepas seleccionadas de bacterias del género Bradyrhizobium

Lupinus mariae-josephae es un altramuz endémico de la provincia de Valencia de reciente descubrimiento para la ciencia. Se conocen solo 4 poblaciones, algunas con miles de individuos pero todas ellas con grandes fluctuaciones interanuales, tanto demográficas como de éxito reproductivo. Es por ello que está incluida en el Catálogo Valenciano de Especies de Flora Amenazadas como "Especie Vulnerable". Con finalidad conservacionista se realizó una reintroducción de la especie dentro de su área de distribución conocida. Para ello, se sembraron semillas del altramuz valenciano en 3 grupos (tratamientos) diferentes, 2 de ellos inoculados con sendas cepas de una bacteria simbionte fijadora de nitrógeno atmosférico del género Bradyrhizobium; al tercero no se le inoculó ninguna bacteria. La bacteria, específica de esta leguminosa, y las cepas, fueron aisladas, estudiadas y seleccionadas en investigaciones anteriores. Al final del ciclo biológico de la especie se valoró el éxito en la supervivencia y el éxito reproductivo encontrando resultados óptimos sobre todo para una de las cepas utilizadas (LmjC) que previamente ya había demostrado un comportamiento eficiente en condiciones controladas. Estos resultados serán de gran ayuda para el futuro establecimiento de nuevas poblaciones del altramuz valenciano, con la posible mejora de su estatus de amenaza.

Conservation of endangered Lupinus mariae-josephae in its natural habitat by inoculation with selected, native Bradyrhizobium strains

Lupinus mariae-josephae is a recently discovered endemism that is only found in alkaline-limed soils, a unique habitat for lupines, from a small area in Valencia region (Spain). In these soils, L. mariae-josephae grows in just a few defined patches, and previous conservation efforts directed towards controlled plant reproduction have been unsuccessful. We have previously shown that L. mariae-josephae plants establish a specific root nodule symbiosis with bradyrhizobia present in those soils, and we reasoned that the paucity of these bacteria in soils might contribute to the lack of success in reproducing plants for conservation purposes. Greenhouse experiments using L. mariae-josephae trap-plants showed the absence or near absence of L. mariae-josephae-nodulating bacteria in ‘‘terra rossa’’ soils of Valencia outside of L. mariaejosephae plant patches, and in other ‘‘terra rossa’’ or alkaline red soils of the Iberian Peninsula and Balearic Islands outside of the Valencia L. mariae-josephae endemism region. Among the bradyrhizobia able to establish an efficient symbiosis with L. mariae-josephae plants, two strains, LmjC and LmjM3 were selected as inoculum for seed coating. Two planting experiments were carried out in consecutive years under natural conditions in areas with edapho-climatic characteristics identical to those sustaining natural L. mariae-josephae populations, and successful reproduction of the plant was achieved. Interestingly, the successful reproductive cycle was absolutely dependent on seedling inoculation with effective bradyrhizobia, and optimal performance was observed in plants inoculated with LmjC, a strain that had previously shown the most efficient behavior under controlled conditions. Our results define conditions for L. mariae-josephae conservation and for extension to alkaline-limed soil habitats, where no other known lupine can thrive.

Análisis filogenético de bacterias endosimbióticas de Genista numidica

Los rizobios son bacterias del suelo capaces de formar unas estructuras especializadas en raíces de leguminosas donde reducen dinitrógeno. Algunas de estas leguminosas, como Genista numidica Spach, juegan un importante papel ecológico y económico por la fertilización y la remediación de suelos áridos, lo que ha impulsado el estudio y la caracterización de los rizobios específicos. En la presente investigación se analizan 53 cepas de rizobios aisladas de nódulos de raíces de G. numidica de la costa de Argelia. La diversidad genética de los aislados se llevó a cabo mediante la secuenciación del gen 16S rRNA y del espacio intergénico (ITS), región situada entre los genes 16S y 23S rRNA. Los endosimbiontes de G. numidica muestran una gran diversidad filogenética. Las secuencias de los aislados mostraron proximidad a ?-proteobacterias (Bradyrhizobium sp, Sphingobium sp) y ?-proteobacterias.

Nitrogen fixation by native Bradyrhizobia in symbiosis with Lupinus mariae-josephae requires a T3SS encoding a NopE-like effector

Several bradyrhizobial isolates from L. mariae-josephae root nodules [1] contain a type III secretion system (T3SS) within a cluster of about 30 genes. Among those genes, ttsI codes for the transcriptional activator of the system. Mutation of ttsI resulted in the formation of white, non-fixing nodules with the natural legume host, L. mariae-josephae. The T3SS cluster also contains a gene coding for a NopE-like protein. NopE proteins have been demonstrated to be effectors in the Bradyrhizobium-soybean symbiosis [2] and belong to a small group of poorly characterized proteins from plant-associated bacteria that contain one or two autocleavage motifs known as DUF1521 (Schirrmeister et al. 2011). The amino acid sequence of a NopE-like protein in the L. mariae-josephae strain LmjC contains just one autocatalytic motif. This is unlike NopE1 and NopE2 proteins secreted by the T3SS of B. japonicum, that contain two motifs [3]. The autocleavage of LmjC NopE protein was analyzed after expression in E. coli and purification. Two protein fragments of the predicted sizes appeared in the presence of Ca2+, Cu2+, Cd2+, Zn2+ and Mn2+ cations. In contrast, autocleavage did not take place in the presence of Ni2+, Co2+ or Mg2+. Site-directed mutagenesis of the DUF1521 motif in LmjC NopE abolished self-cleavage in vitro. Symbiotic competence of a NopE- mutant with the L. mariae-josephae host was not affected. Possible roles of NopE are discussed.

Native bradyrhizobia isolated from Lupinus mariae-josephae possess an essential T3SS for symbiosis

Analysis of the genome sequence of bradyrhizobia strains isolated from root nodules of Lupinus mariae-josephae revealed the presence of a type III secretion system (T3SS). Mutagenesis of ttsI gene that codes for the transcriptional activator (TtsI) resulted in the formation of white, non-fixing nodules in L. mariae-josephae. The T3SS cluster includes a gene coding for a NopE-like protein with an autocleavage motif. The NopE protein is an effector in the Bradyrhizobium-soybean symbiosis (Wenzel et al., 2010). The autocatalytic properties of the purified NopE-like protein have been studied.

Aislamiento y caracterización de bacterias endosimbióticas procedentes de suelos contaminados por cobre en Chile

El uso intensivo de compuestos de cobre como herbicidas y fungicidas provoca la contaminación de suelos de uso agrícola debido a la acumulación de este metal en las capas más superficiales del suelo. Se sabe que la presencia de cobre y otros metales pesados afecta negativamente a las interacciones simbióticas que se establecen entre bacterias diazotróficas de los géneros Rhizobium, Sinorhizobium y Bradyrhizobium y leguminosas de interés agrícola (Laguerre et al., 2006). El objetivo de este trabajo es estudiar la diversidad de cepas endosimbióticas de leguminosas en suelos agrícolas chilenos que presentan un elevado contenido en cobre como resultado de la contaminación con residuos de extracciones mineras. Además, se pretende caracterizar el nivel de resistencia a cobre en las cepas aisladas con objeto de identificar aquellas altamente eficientes que puedan ser utilizadas como inoculantes microbianos. Para ello, se han prospectado 9 suelos agrícolas de las regiones III, V y VI de Chile con contenidos muy variables de metales. Utilizando estos suelos como inóculos de plantas trampa de leguminosas se ha obtenido una colección de 362 cepas aisladas de nódulos de guisante (Pisum sativum), judía (Phaseolus vulgaris) y alfalfa (Medicago sativa). Los análisis filogenéticos y los ensayos de resistencia a cobre realizados han permitido caracterizar y seleccionar aquellas cepas con mayores niveles de resistencia a este metal. Los resultados demuestran que los suelos altamente contaminados por cobre poseen una menor diversidad de bacterias endosimbióticas; las cepas más resistentes han sido aisladas de los suelos con niveles de contaminación intermedia. Los análisis fenotípicos y moleculares realizados sobre las cepas más resistentes han demostrado la existencia de sistemas de resistencia a cobre inducibles por este metal y potencialmente implicados en su homeostasis.

Native bradyrhizobial symbionts of Lupinus mariae-josephae, a unique endemism thriving in alkaline soils in Eastern Spain

Lupinus mariae-josephae (Lmj) es una especie de lupino endémica de una pequeña y específica área de Comunidad Valenciana (Este de España), donde prospera en suelos alcalinoscalcáreos, un hábitat singular para los altramuces, que crecen preferentemente en suelos ácidos o neutros. Esto hace de Lmj una especie de lupino única. Cuando se inició este trabajo, la extensión conocida de este endemismo abarcaba unos 700 kilómetros cuadrados, confinados en la provincia de Valencia. En esta área, Lmj prospera en pequeñas poblaciones aisladas que contienen un número reducido de plantas por lo que se la consideró una especie en peligro de extinción. Todos los esfuerzos, utilizando estrategias clásicas dirigidas a ampliar el área de crecimiento de Lmj y garantizar su conservación, han tenido un éxito limitado. El trabajo que se presenta está dirigido a mejorar el conocimiento de la ecología de Lmj, en particular la interacción simbiótica que establece con bacterias del suelo denominadas rizobios y se centra en la caracterización fenotípica, filogenética y genómica de esos rizobios. También se investiga la posible contribución de la simbiosis en mejorar la conservación de Lmj. Para este fin, se han estudiado diferentes aspectos que se describen a continuación. El primero objetivo se centró en aislar y estudiar de la diversidad genética de las bacterias endosimbióticas de Lmj. . Se realizó un análisis filogenético de genes esenciales que mostró que las cepas de Lmj pertenecen al género Bradyrhizobium y que presentan una gran diversidad con características fenotípicas y simbióticas diferentes de cepas de Bradyrhizobium que nodulan otras especies de lupinos nativos de España (cepas ISLU). Las cepas estudiadas se dividieron en dos grupos (Clado I y Clado II). El Clado I, incluye a las cepas Lmj, definiendo un nuevo linaje, filogenéticamente relacionado con otras especies de Bradyrhizobium, como B. jicamae y B. elkanii. El Clado II contiene cepas ISLU relacionadas con cepas de B. canariense y B. japonicum que establecen simbiosis con lupinos de suelos ácidos. Otro análisis filogenético basado en genes simbióticos, distribuyó las cepas de Lmj en sólo dos grupos diferentes. La singularidad y gran diversidad de estas cepas en una pequeña área geográfica, hacen de este, un atractivo sistema para el estudio de la evolución y adaptación de las bacterias simbióticas a su respectiva planta huésped. Adicionalmente, se estudio la presencia de bacterias capaces de nodular Lmj en suelos básicos de Chiapas, México. Sorprendentemente, estos suelos contienen bacterias capaces establecer interacciones simbióticas eficientes con Lmj en ensayos de invernadero. A continuación se investigó la taxonomía de los endosimbiontes de Lmj analizando la secuencia de cuatro genes esenciales (16S rRNA, recA, glnII y atpD) y el promedio de identidad de nucleótidos de genomas completos de algunas cepas representativas de la diversidad (ANIm). Se identificaron nuevas especies de Bradyrhizobium dentro del Clado I y se definió una de ellas: 'Bradyrhizobium valentinum' sp. nov (cepa tipo LmjM3T = CECT 8364T, LMG 2761T). También se abordó cómo conservar Lmj en su hábitat natural mediante inoculación con alguna de las cepas aisladas. Se demostró la ausencia de bacterias capaces de nodular Lmj en suelos rojos alcalinos o ‘‘terra rossa’’ de la Península Ibérica y Baleares. Dos cepas, altamente eficientes en cuanto a la fijación de nitrógeno, LmjC y LmjM3T, fueron seleccionadas para ser empleadas como inoculantes. Dos experimentos de campo llevados a cabo en años consecutivos en áreas con características edafoclimáticas similares a las que presentan las poblaciones de Lmj, lograron la reproducción exitosa de la planta. Se concluyó que un ciclo reproductivo exitoso de Lmj es absolutamente dependiente de la inoculación con sus simbiontes naturales y que la simbiosis debe ser considerada un factor esencial en estrategias de conservación de leguminosas en peligro. La obtención de varias secuencias genómicas de cepas aisladas de Lmj y de otras cepas de Bradyrhizobium reveló una alta similitud entre los genomas de las cepas del Clado I, y permitió la identificación de cinco posibles nuevas especies. Además, se estudiaron tres agrupaciones de genes relacionados con la simbiosis (nod, nif y fix) definiendo un nuevo linaje para las cepas de Lmj, diferente del symbiovar “genistearum” de B. canariense y B. japonicum. La baja diversidad encontrada en el análisis filogenético de los genes simbióticos contrasta con la gran diversidad asociada a genes esenciales. La presencia de plásmidos en cepas del género Bradyrhizobium ha sido descrita en muy pocas ocasiones, sin embargo el análisis de la secuencia genómica de la cepa ISLU101, aislada de Lupinus angustifolius, reveló la presencia de un origen de replicación extracromosómico homólogo al operón repABC, presente en el plásmido de Bradyrhizobium sp BTAi1. Gracias a esta secuencia se identificaron genes homólogos en 19 de 72 cepas ISLU. Filogenéticamente, las secuencias de repABC se agruparon en un grupo monofilético con las de pBTAi1 y separadas de los rizobios de crecimiento rápido. Finalmente, se identificaron sistemas de secreción de proteínas de tipo III (T3SS) en nueve genomas de cepas de Lmj. Los T3SS pueden inyectar proteínas efectoras al interior de células vegetales. Su presencia en rizobios se ha relacionado con la gama de hospedador que pueden nodular y puede tener un efecto beneficioso, neutro o perjudicial en la simbiosis. Los T3SS de las cepas de Lmj codifican para una proteína efectora similar a NopE, un efector dependiente de T3SS descrito en B. diazoefficiens USDA 110T. La proteína NopE de la cepa LmjC se ha caracterizado bioquímicamente. ABSTRACT Lupinus mariae-josephae (Lmj) is a lupine species endemic of a unique small area in Valencia region (Eastern Spain) where the lupine plants thrive in alkaline-limed soils, which preferentially grow in acid or neutral soils. This is the type of soils native lupines of Spain. When this work was initiated, the extension of the endemic area of Lmj was of about 700 squared kilometers confined to the Valencia province. In this area, Lmj thrives in small, isolated patches containing a reduced number of plants, and points to an endemism that can easily became endangered or extinct. Consequently, the Valencia Community authorities gave a ‘‘microreserve” status for conservation of the species. All efforts, using classical strategies directed to extend the area of Lmj growth and ensure its conservation have been so far unsuccessful. The work presented here is directed to improve our knowledge of Lmj ecology and it is centered in the characterization of the rhizobial symbiosis by phenotypic, phylogenetic and genomic analysis as well as in investigate the potential contribution of the symbiosis to improve its conservation. To this end, five different topics have been studied, and results are briefly described here. Extensive details can be followed en the attached, published articles. The first topic deals with the indigenous rhizobial symbionts of the Lmj endemism, and its genetic diversity was investigated. The Lmj root symbionts belong to the Bradyrhizobium genus, and phylogenetic analysis based on core genes identified a large diversity of Bradyrhizobium strains with phenotypic and symbiotic characteristics different from rhizobia nodulating other Lupinus spp. native of Spain. The strains were split in two clades. Clade II contained strains close to classical B. canariense and B. japonicum lineages that establish symbioses with lupines in acid soils of the Mediterranean area. Clade I included Lmj strains that define a new lineage, close to other Bradyrhizobium species as B. jicamae and B. elkanii. The phylogenetic analysis based on symbiotic genes identified only two distinct clusters. The singularity and large diversity of these strains in such a small geographical area makes this an attractive system for studying the evolution and adaptation of the rhizobial symbiont to the plant host. Additionally, the presence of bacteria able to nodulate Lmj in basic soils from Chiapas, Mexico was investigated. Surprisingly, these soils contain bacteria able to effectively nodulate and fix nitrogen with Lmj plants in greenhouse assays. In the second topic, the taxonomic status of the endosymbiotic bacteria of Lmj from Valencia endemism and Chiapas was investigated. Results from phylogenetic analysis of core genes and Average Nucleotide Identity (ANIm) using draft genomic sequences identified new Bradyrhizobium species within strains of Clade I of Lmj endosymbiotic bacteria. Only one of these potentially new species has been defined, meanwhile the others are under process of characterization. The name ‘Bradyrhizobium valentinum’ sp. nov. was proposed for the defined species (type strain LmjM3T= CECT 8364T, LMG 2761T). The third topic was directed to conservation of endangered Lmj in its natural habitat. The relevant conclusion of this experimentation is that the symbiosis should be considered as a relevant factor in the conservation strategies for endangered legumes. First, we showed absence of bacteria able to nodulate Lmj in all the inspected ‘‘terra rossa’’ or alkaline red soils of the Iberian Peninsula and Balearic Islands. Then, two efficient nitrogen fixing strains with Lmj plants, LmjC and LmjM3T, were selected as inoculum for seed coating. Two planting experiments were carried out in consecutive years under natural conditions in areas with edapho-climatic characteristics identical to those sustaining natural Lmj populations, and successful reproduction of the plant was achieved. The relevant conclusion from these assays was that the successful reproductive cycle was absolutely dependent on seedling inoculation with effective bradyrhizobia The forth topic deep into the analysis of the genomic of Lmj representative strains. To this end, draft genomic sequences of selected Lmj strains and type strains of Bradyrhizobium spp. were assembled. The comparison analysis of the draft genomic sequences of Lmj strains and related Bradyrhizobium species grouped in Clade I, revealed a high genomic homology among them, and allowed the definition of five potentially new species of Lmj nodulating bacteria. Also, based on the available draft genomic sequences, only three clusters of nod, fix and nif genes from Lmj strains were identified and showed to define a new symbiotic lineage, distant from that of B. canariense and B. japonicum bv. genistearum. The low diversity exhibited by the phylogenetic analysis of symbiotic genes contrast with the large diversity of strains as regards the housekeeping genes analyzed. Besides, the genomic analysis of a Lupinus angustifolius strain ISLU101, revealed the presence of an extrachromosomal replication origin homologous to repABC cluster from plasmid present in Bradyrhizobium spp BTAi1. This repABC cluster gene sequence allowed the identification of extrachromosomic replication origin in 19 out of 72 Bradyrhizobium strains from Lupinus spp., a highly significant result since the absence of plasmids in the Bradyrhizobium genus was traditionally assumed. The repABC gene sequences of these strains grouped them in a unique monophyletic group, related to B. sp. BTAi1 plasmid, but differentiated from the repABC gene cluster of plasmids in fast growing rhizobium strains. The last topic was focused on characterization of type III secreted effectors present in Lmj endosymbiotic bacteria. Type III secretion systems (T3SS) are specialized protein export machineries which can deliver effector proteins into plant cells. The presence of T3SS in rhizobia has frequently been related to the symbiotic nodulation host-range and may have a beneficial or detrimental effect on the symbiosis with legumes. In this context, the presence of T3SS in genomes of nine Lmj strains was investigated, and it was shown the presence of clusters encoding NopE type III-secreted protein similar to the NopE1 and NopE2 of B. diazoefficiens USDA 110T. The putative NopE protein of LmjC strain is at present being characterized regarding its structure and function.