Effect of ATP and 2-oxoglutarate on the in vitro interaction between the NifA GAF domain and the GlnB protein of Azospirillum brasilense

Azospirillum brasilense is a diazotroph that associates with important agricultural crops and thus has potential to be a nitrogen biofertilizer. The A. brasilense transcription regulator NifA, which seems to be constitutively expressed, activates the transcription of nitrogen fixation genes. It has been suggested that the nitrogen status-signaling protein GlnB regulates NifA activity by direct interaction with the NifA N-terminal GAF domain, preventing the inhibitory effect of this domain under conditions of nitrogen fixation. In the present study, we show that an N-terminal truncated form of NifA no longer required GlnB for activity and lost regulation by ammonium. On the other hand, in trans co-expression of the N-terminal GAF domain inhibited the N-truncated protein in response to fixed nitrogen levels. We also used pull-down assays to show in vitro interaction between the purified N-terminal GAF domain of NifA and the GlnB protein. The results showed that A. brasilense GlnB interacts directly with the NifA N-terminal domain and this interaction is dependent on the presence of ATP and 2-oxoglutarate.

Effect of point mutations on Herbaspirillum seropedicae NifA activity

NifA is the transcriptional activator of the nif genes in Proteobacteria. It is usually regulated by nitrogen and oxygen, allowing biological nitrogen fixation to occur under appropriate conditions. NifA proteins have a typical three-domain structure, including a regulatory N-terminal GAF domain, which is involved in control by fixed nitrogen and not strictly required for activity, a catalytic AAA+ central domain, which catalyzes open complex formation, and a C-terminal domain involved in DNA-binding. In Herbaspirillum seropedicae, a β-proteobacterium capable of colonizing Graminae of agricultural importance, NifA regulation by ammonium involves its N-terminal GAF domain and the signal transduction protein GlnK. When the GAF domain is removed, the protein can still activate nif genes transcription; however, ammonium regulation is lost. In this work, we generated eight constructs resulting in point mutations in H. seropedicae NifA and analyzed their effect on nifH transcription in Escherichia coli and H. seropedicae. Mutations K22V, T160E, M161V, L172R, and A215D resulted in inactive proteins. Mutations Q216I and S220I produced partially active proteins with activity control similar to wild-type NifA. However, mutation G25E, located in the GAF domain, resulted in an active protein that did not require GlnK for activity and was partially sensitive to ammonium. This suggested that G25E may affect the negative interaction between the N-terminal GAF domain and the catalytic central domain under high ammonium concentrations, thus rendering the protein constitutively active, or that G25E could lead to a conformational change comparable with that when GlnK interacts with the GAF domain.

Fonction de l'AmtB dans la régulation de la nitrogénase chez Rhodobacter capsulatus

La fixation de l’azote diatomique est un processus très important à la vie, vu sa nécessité dans la biosynthèse de plusieurs molécules de base; acides aminés, acides nucléiques, etc. La réduction de l’azote en ammoniaque est catalysée par la nitrogénase, une enzyme consommatrice de beaucoup d’énergie étant donné qu’elle nécessite 20 à 30 moles d’ATP pour la réduction d’une mole d’azote. De ce fait une régulation rigoureuse est exigée afin de minimiser le gaspillage d’énergie. Plusieurs systèmes de contrôle sont connus, aussi bien au niveau post-traductionnel que traductionnel. Chez la bactérie photosynthétique pourpre non-sulfureuse R. capsulatus, la régulation de l’activité de la nitrogénase nécessite une panoplie de protéines dont la protéine membranaire AmtB, qui est impliquée dans le transport et la perception d’ammonium, et les protéines PII qui jouent plusieurs rôles clés dans la régulation de l’assimilation d’azote. Suite à l’ajout de l’ammonium dans le milieu, une inhibition réversible de l’activité de la nitrogénase est déclenchée via un mécanisme d’ADP-ribosylation de la nitrogénase. La séquestration de GlnK (une protéine PII) par l’AmtB permet à DraT, une ADP-ribosyltransférase, d’ajouter un groupement ADP-ribose sur la protéine-Fe de la nitrogénase l’empêchant ainsi de former un complexe avec la protéine-MoFe. Donc, le transfert d’électrons est bloqué, engendrant ainsi l’inhibition de l’activité de la nitrogénase qui dure aussi long que la concentration d’azote fixé reste élevé, phénomène appelé le « Switch-off/Switch-on » de la nitrogénase. Dans ce mémoire, pour mieux comprendre ce phénomène de régulation, des mutations ponctuelles au niveau de certains résidus conservés de la protéine AmtB, dont D338, G367, H193 et W237, étaient générées par mutagénèse dirigée, afin d’examiner d’avantage leur rôle dans le transport d’ammonium, la formation du complexe AmtB-GlnK, ainsi que dans le « Switch-off » et l’ADP-ribosylation. Les résultats permettent de conclure l’importance et la nécessité de certains résidus telle que le G367 dans la régulation de la nitrogénase et le transport d’ammonium, contrairement au résidu D338 qui ne semble pas être impliqué directement dans la régulation de l’activité de la nitrogénase. Ces résultats suggèrent d’autres hypothèses sur les rôles des acides aminés spécifiques d’AmtB dans ses fonctions comme transporteur et senseur d’ammonium.

Étude de la régulation de la nitrogénase chez Rhodobacter capsulatus dans la noirceur

L’atmosphère terrestre est très riche en azote (N2). Mais cet azote diatomique est sous une forme très stable, inutilisable par la majorité des êtres vivants malgré qu’il soit indispensable pour la synthèse de matériels organiques. Seuls les procaryotes diazotrophiques sont capables de vivre avec le N2 comme source d’azote. La fixation d’azote est un processus qui permet de produire des substances aminées à partir de l’azote gazeux présent dans l’atmosphère (78%). Cependant, ce processus est très complexe et nécessite la biosynthèse d’une vingtaine de protéines et la consommation de beaucoup d’énergie (16 molécules d’ATP par mole de N2 fixé). C’est la raison pour laquelle ce phénomène est rigoureusement régulé. Les bactéries photosynthétiques pourpres non-sulfureuses sont connues pour leur capacité de faire la fixation de l’azote. Les études faites à la lumière, dans le mode de croissance préféré de ces bactéries (photosynthèse anaérobie), ont montré que la nitrogénase (enzyme responsable de la fixation du diazote) est sujet d’une régulation à trois niveaux: une régulation transcriptionnelle de NifA (protéine activatrice de la transcription des gènes nif), une régulation post-traductionnelle de l’activité de NifA envers l’activation de la transcription des autres gènes nif, et la régulation post-traductionnelle de l’activité de la nitrogénase quand les cellules sont soumises à un choc d’ammoniaque. Le système de régulation déjà décrit fait intervenir essentiellement une protéine membranaire, AmtB, et les deux protéines PII, GlnB et GlnK. Il est connu depuis long temps que la nitrogénase est aussi régulée quand une culture photosynthétique est exposée à la noirceur, mais jusqu’aujourd’hui, on ignore encore la nature des systèmes intervenants dans cette régulation. Ainsi, parmi les questions qui peuvent se poser: quelles sont les protéines qui interviennent dans l’inactivation de la nitrogénase lorsqu’une culture anaérobie est placée à la noirceur? Une analyse de plusieurs souches mutantes, amtB- , glnK- , glnB- et amtY- poussées dans différentes conditions de limitation en azote, serait une façon pour répondre à ces interrogations. Alors, avec le suivi de l’activité de la nitrogénase et le Western Blot, on a montré que le choc de noirceur provoquerait un "Switch-off" de l’activité de la nitrogénase dû à une ADP-ribosylation de la protéine Fe. On a réussit aussi à montrer que ii tout le système déjà impliqué dans la réponse à un choc d’ammoniaque, est également nécessaire pour une réponse à un manque de lumière ou d’énergie (les protéines AmtB, GlnK, GlnB, DraG, DraT et AmtY). Or, Rhodobacter capsulatus est capable de fixer l’azote et de croitre aussi bien dans la micro-aérobie à la noirceur que dans des conditions de photosynthèse anaérobies, mais jusqu'à maintenant sa régulation dans l’obscurité est peu étudiée. L’étude de la fixation d’azote à la noirceur nous a permis de montrer que le complexe membranaire Rnf n’est pas nécessaire à la croissance de R. capsulatus dans de telles conditions. Dans le but de développer une façon d’étudier la régulation de la croissance dans ce mode, on a tout d’abord essayé d’identifier les conditions opératoires (O2, [NH4 + ]) permettant à R. capsulatus de fixer l’azote en microaérobie. L’optimisation de cette croissance a montré que la concentration optimale d’oxygène nécessaire est de 10% mélangé avec de l’azote.

Les transformations microbiennes de l’azote dans les grandes rivières

Les rivières reçoivent de l'azote de leurs bassins versants et elles constituent les derniers sites de transformations des nutriments avant leur livraison aux zones côtières. Les transformations de l’azote inorganique dissous en azote gazeux sont très variables et peuvent avoir un impact à la fois sur l’eutrophisation des côtes et les émissions de gaz à effet de serre à l’échelle globale. Avec l’augmentation de la charge en azote d’origine anthropique vers les écosystèmes aquatiques, les modèles d’émissions de gaz à effet de serre prédisent une augmentation des émissions d’oxyde nitreux (N2O) dans les rivières. Les mesures directes de N2O dans le Lac Saint-Pierre (LSP), un élargissement du Fleuve Saint-Laurent (SLR) indiquent que bien qu’étant une source nette de N2O vers l'atmosphère, les flux de N2O dans LSP sont faibles comparés à ceux des autres grandes rivières et fleuves du monde. Les émissions varient saisonnièrement et inter-annuellement à cause des changements hydrologiques. Les ratios d’émissions N2O: N2 sont également influencés par l’hydrologie et de faibles ratios sont observés dans des conditions de débit d'eau plus élevée et de charge en N élevé. Dans une analyse effectuée sur plusieurs grandes rivières, la charge hydraulique des systèmes semble moduler la relation entre les flux de N2O annuels et les concentrations de nitrate dans les rivières. Dans SLR, des tapis de cyanobactéries colonisant les zones à faible concentration de nitrate sont une source nette d’azote grâce à leur capacité de fixer l’azote atmosphérique (N2). Étant donné que la fixation a lieu pendant le jour alors que les concentrations d'oxygène dans la colonne d'eau sont sursaturées, nous supposons que la fixation de l’azote est effectuée dans des micro-zones d’anoxie et/ou possiblement par des diazotrophes hétérotrophes. La fixation de N dans les tapis explique le remplacement de près de 33 % de la perte de N par dénitrification dans tout l'écosystème au cours de la période d'étude. Dans la portion du fleuve Hudson soumis à la marée, la dénitrification et la production de N2 est très variable selon le type de végétation. La dénitrification est associée à la dynamique en oxygène dissous particulière à chaque espèce durant la marée descendante. La production de N2 est extrêmement élevée dans les zones occupées par les plantes envahissantes à feuilles flottantes (Trapa natans) mais elle est négligeable dans la végétation indigène submergée. Une estimation de la production de N2 dans les lits de Trapa durant l’été, suggère que ces lits représentent une zone très active d’élimination de l’azote. En effet, les grands lits de Trapa ne représentent que 2,7% de la superficie totale de la portion de fleuve étudiée, mais ils éliminent entre 70 et 100% de l'azote total retenu dans cette section pendant les mois d'été et contribuent à près de 25% de l’élimination annuelle d’azote.

The Role of Specific Amino Acids in the Formation of Ternary Complexes in Nitrogenase Regulation in the Photosynthetic Bacterium Rhodobacter capsulatus

L'azote est l'un des éléments les plus essentiels dans le monde pour les êtres vivants, car il est essentiel pour la production des éléments de base de la cellule, les acides aminés, les acides nucléiques et les autres constituants cellulaires. L’atmosphère est composé de 78% d'azote gazeux, une source d'azote inutilisable par la plupart des organismes à l'exception de ceux qui possèdent l’enzyme nitrogénase, tels que les bactéries diazotrophique. Ces micro-organismes sont capables de convertir l'azote atmosphérique en ammoniac (NH3), qui est l'une des sources d'azote les plus préférables. Cette réaction exigeant l’ATP, appelée fixation de l'azote, est catalysée par une enzyme, nitrogénase, qui est l'enzyme la plus importante dans le cycle de l'azote. Certaines protéines sont des régulateurs potentiels de la synthèse de la nitrogénase et de son activité; AmtB, DraT, DraG, les protéines PII, etc.. Dans cette thèse, j'ai effectué diverses expériences afin de mieux comprendre leurs rôles détailés dans Rhodobacter capsulatus. La protéine membranaire AmtB, très répandue chez les archaea, les bactéries et les eucaryotes, est un membre de la famille MEP / Amt / Rh. Les protéines AmtB sont des transporteurs d'ammonium, importateurs d'ammonium externe, et ont également été suggéré d’agir comme des senseurs d'ammonium. Il a été montré que l’AmtB de Rhodobacter capsulatus fonctionne comme un capteur pour détecter la présence d'ammonium externe pour réguler la nitrogénase. La nitrogénase est constituée de deux métalloprotéines nommées MoFe-protéine et Fe-protéine. L'addition d'ammoniaque à une culture R. capsulatus conduit à une série de réactions qui mènent à la désactivation de la nitrogénase, appelé "nitrogénase switch-off". Une réaction critique dans ce processus est l’ajout d’un groupe ADP-ribose à la Fe-protéine par DraT. L'entrée de l'ammoniac dans la cellule à travers le pore AmtB est contrôlée par la séquestration de GlnK. GlnK est une protéine PII et les protéines PII sont des protéines centrales dans la régulation du métabolisme de l'azote. Non seulement la séquestration de GlnK par AmtB est importante dans la régulation nitrogénase, mais la liaison de l'ammonium par AmtB ou de son transport partiel est également nécessaire. Les complexes AmtB-GlnK sont supposés de lier DraG, l’enzyme responsable pour enlever l'ADP-ribose ajouté à la nitrogénase par DraT, ainsi formant un complexe ternaire. Dans cette thèse certains détails du mécanisme de transduction du signal et de transport d'ammonium ont été examinés par la génération et la caractérisation d’un mutant dirigé, RCZC, (D335A). La capacité de ce mutant, ainsi que des mutants construits précédemment, RCIA1 (D338A), RCIA2 (G344C), RCIA3 (H193E) et RCIA4 (W237A), d’effectuer le « switch-off » de la nitrogénase a été mesurée par chromatographie en phase gazeuse. Les résultats ont révélé que tous les résidus d'acides aminés ci-dessus ont un rôle essentiel dans la régulation de la nitrogénase. L’immunobuvardage a également été effectués afin de vérifier la présence de la Fe-protéine l'ADP-ribosylée. D335, D388 et W237 semblent être cruciales pour l’ADP-ribosylation, puisque les mutants RCZC, RCIA1 et RCIA4 n'a pas montré de l’ADP-ribosylation de la Fe-protéine. En outre, même si une légère ADP-ribosylation a été observée pour RCIA2 (G344C), nous le considérons comme un résidu d'acide aminé important dans la régulation de la nitrogénase. D’un autre coté, le mutant RCIA3 (H193E) a montré une ADP-ribosylation de la Fe-protéine après un choc d'ammonium, par conséquent, il ne semble pas jouer un rôle important dans l’ADP-ribosylation. Par ailleurs R. capsulatus possède une deuxième Amt appelé AmtY, qui, contrairement à AmtB, ne semble pas avoir des rôles spécifiques. Afin de découvrir ses fonctionnalités, AmtY a été surexprimée dans une souche d’E. coli manquant l’AmtB (GT1001 pRSG1) (réalisée précédemment par d'autres membres du laboratoire) et la formation des complexes AmtY-GlnK en réponse à l'addition d’ammoniac a été examinée. Il a été montré que même si AmtY est en mesure de transporter l'ammoniac lorsqu'il est exprimé dans E. coli, elle ne peut pass’ associer à GlnK en réponse à NH4 +.

Rôle de l’azote dans la structure et la fonction des communautés de cyanobactéries toxiques

Dans cette étude de trois lacs sujets aux efflorescences de cyanobactéries, nous avons examiné la diversité des bactéries diazotrophes et des cyanobactéries toxiques. Nous avons tenté de définir les facteurs environnementaux influençant la composition des communautés phytoplanctoniques, la concentration ainsi que la composition des microcystines (MCs). Nous avons émis l’hypothèse que l’azote jouerait un rôle majeur dans le façonnement des communautés cyanobactériennes et influencerait la concentration et composition des MCs. Des concentrations de cette toxine ainsi que le gène mcyE codant pour l’enzyme microcystine synthétase ont été détectés à chaque échantillonnage dans tous les lacs. L’azote, particulièrement sous sa forme organique dissoute (AOD) ainsi que la température de l’eau étaient les facteurs environnementaux expliquant le mieux les concentrations des MCs, tandis que la biomasse de Microcystis spp. était globalement le meilleur prédicteur. Le gène nifH codant pour l’enzyme nitrogénase (fixation d’azote) a aussi été détecté dans chaque échantillon. Malgré les concentrations faibles en azote inorganique dissous (AID) et les densités importantes d’hétérocystes, aucun transcrits du gène n’a été détecté par réverse-transcription (RT-PCR), indiquant que la fixation d’azote n’avait pas lieu à des niveaux détectables au moment de l’échantillonnage. De plus, le pyroséquençage révèle que les séquences des gènes nifH et mcyE correspondaient à différents taxons, donc que les cyanobactéries n’avaient pas la capacité d’effectuer les deux fonctions simultanément.

Rôle de l'AmtB dans la régulation de la nitrogénase et la production d'hydrogène chez la bactérie Rhodobacter capsulatus

L’azote est l’élément le plus abondant dans l’atmosphère terrestre avec un pourcentage atteignant 78 %. Composant essentiel pour la biosynthèse des matériels organiques cellulaires, il est inutilisable sous sa forme diatomique (N2) très stable par la plupart des organismes. Seules les bactéries dites diazotrophiques comme Rhodobacter capsulatus sont capables de fixer l’azote moléculaire N2 par le biais de la synthèse d’une enzyme, la nitrogénase. Cette dernière catalyse la réduction du N2 en ammonium (NH4) qui peut alors être assimilé par d’autres organismes. La synthèse et l’activité de la nitrogénase consomment beaucoup d’énergie ce qui implique une régulation rigoureuse et son inhibition tant qu’une quantité suffisante d’ammonium est disponible. Parmi les protéines impliquées dans cette régulation, la protéine d’intérêt AmtB est un transporteur membranaire responsable de la perception et le transport de l’ammonium. Chez R. capsulatus, il a été démontré que suite à l’addition de l’ammonium, l’AmtB inhibe de façon réversible (switch off/switch on) l’activité de la nitrogénase en séquestrant la protéine PII GlnK accompagnée de l’ajout d’un groupement ADP ribose sur la sous unités Fe de l’enzyme par DraT. De plus, la formation de ce complexe à lui seul ne serait pas suffisant pour cette inactivation, ce qui suggère la séquestration d’une troisième protéine, DraG, afin d’inhiber son action qui consiste à enlever l’ADP ribose de la nitrogénase et donc sa réactivation. Afin de mieux comprendre le fonctionnement de l’AmtB dans la régulation et le transport de l’ammonium à un niveau moléculaire et par la même occasion la fixation de l’azote, le premier volet de ce mémoire a été d’introduire une mutation ponctuelle par mutagénèse dirigée au niveau du résidu conservé W237 de l’AmtB. La production d’hydrogène est un autre aspect longtemps étudié chez R. capsulatus. Cette bactérie est capable de produire de l’hydrogène à partir de composés organiques par photofermentation suite à l’intervention exclusive de la nitrogénase. Plusieurs études ont été entreprises afin d’améliorer la production d’hydrogène. Certaines d’entre elles se sont intéressées à déterminer les conditions optimales qui confèrent une production maximale de gaz tandis que d’autres s’intéressent au fonctionnement de la bactérie elle même. Ainsi, le fait que la bioproduction de H2 par fermentation soit catalysée par la nitrogénase cela implique la régulation de l’activité de cette dernière par différents mécanismes dont le switch off par ADP ribosylation de l’enzyme. De ce fait, un mutant de R. capsulatus dépourvu d’AmtB (DG9) a été étudié dans la deuxième partie de cette thèse en termes d’activité de la nitrogénase, de sa modification par ADP ribosylation avec la détection des deux protéines GlnK et DraG qui interviennent dans cette régulation pour connaitre l’influence de différents acides aminés sur la régulation de la nitrogénase et pour l‘utilisation future de cette souche dans la production d’H2 car R. capsulatus produit de l’hydrogène par photofermentation grâce à cette enzyme. Les résultats obtenus ont révélé une activité de la nitrogénase continue et ininterrompue lorsque l’AmtB est absent avec une activité maximale quand la proline est utilisée comme source d’azote durant la culture bactérienne ce qui implique donc que l’abolition de l’activité de cette protéine entraine une production continue d’H2 chez R. capsulatus lorsque la proline est utilisée comme source d’azote lors de la culture bactérienne. Par ailleurs, avec des Western blots on a pu déterminer l’absence de régulation par ADP ribosylation ainsi que les expressions respectives de GlnK et DraG inchangées entre R. capsulatus sauvage et muté. En conclusion, la nitrogénase n’est pas modifiée et inhibée lorsque l’amtB est muté ce qui fait de la souche R. capsulatus DG9 un candidat idéal pour la production de biohydrogène en particulier lorsque du glucose et de la proline sont respectivement utilisés comme source de carbone et d'azote pour la croissance.

Studies on the isolation and characterization of flavones and triterpenoids from a few plants

In the present scenario, there is an increasing demand for natural products in food industry, pharmaceuticals, cosmetics and agricultural sectors. In this context phytochemical study to identify newer chemicals has got great relevance. Phytochemical studies have become more reliable and encouraging with the development of modern analytical techniques.In the present work the leaves of Piper colubrinum (Piperaceae), aerial parts of Mussaenda fiondosa (Rubiaceae) and Humboldtia vahliana (Leguminosae) and the pericarp of fruits of Artocarpus heterophyllus (Moraceae) were investigated for their secondary metabolites. The major compounds isolated belong to the groups of flavonoids and triterpenoids.Naturally occurring flavonoids have been used widely in chemotaxonomic studies of plants. Flavones and flavonols constitute a group of biosynthetically related natural products. No universal function has been established for flavones and flavonols in plants. However, many functions in individual plants have been demonstrated. These include protection of plants from ultraviolet light, insects and pests; pollinator attractants; antioxidants; plant hormone controllers; enzyme inhibitors and allelopathic agents. Flavonoids are attracting the attention of medical scientists in recent years because of their anticarcinogenic, antiallergic and antiinflammatory properties. The recent discovery that flavonoids are involved in the process of nitrogen fixation in plants also opens the way for agricultural application of these constituents.Triterpenoids are another class of compounds that are ubiquitous in plants. Some triterpenoids present in the latex and resins of plants are believed to be involved in chemical defence against pathogens and herbivores. Triterpenoids possess various biological properties including anti-inflammatory, antifeedant, pesticidal, fungitoxic and antimicrobial activities. Triterpenoids with cytotoxic activity and inhibitory effect on seed germination are also known.

Leguminous cover crops differentially affect maize yields in three contrasting soil types of Kakamega, Western Kenya

Maize production in smallholder farming systems in Kenya is largely limited by low soil fertility. As mineral fertilizer is expensive, green manuring using leguminous cover crops could be an alternative strategy for farmers to enhance farm productivity. However due to variability in soil type and crop management, the effects of green manure are likely to differ with farms. The objectives of this study were to evaluate Mucuna pruriens and Arachis pintoi on (i) biomass and nitrogen fixation (^15N natural abundance), (ii) soil carbon and nitrogen stocks and (iii) their effects on maize yields over two cropping seasons in Kakamega, Western Kenya. Mucuna at 6 weeks accumulated 1–1.3 Mg ha^{-1} of dry matter and 33–56 kg ha^{-1} nitrogen of which 70% was nitrogen derived from the atmosphere (Ndfa). Arachis after 12 months accumulated 2–2.7 Mg ha^{-1} of dry matter and 51–74 kg N ha^{-1} of which 52-63 % was from Ndfa. Soil carbon and nitrogen stocks at 0–15 cm depth were enhanced by 2-4 Mg C ha^{-1} and 0.3–1.0 Mg N ha^{-1} under Mucuna and Arachis fallow, irrespective of soil type. Maize yield increased by 0.5-2 Mg ha^{-1} in Mucuna and 0.5–3 Mg ha^{-1} in Arachis and the response was stronger on Nitisol than on Acrisol or Ferralsol. We concluded that leguminous cover crops seem promising in enhancing soil fertility and maize yields in Kenya, provided soil conditions and rainfall are suitable.

Alternative plant protein sources for pigs and chickens in the tropics – nutritional value and constraints: a review

In the tropics, a large number of smallholder farms contribute significantly to food security by raising pigs and poultry for domestic consumption and for sale on local markets. The high cost and, sometimes, the lack of availability of commercial protein supplements is one of the main limitations to efficient animal production by smallholders. Locally-grown forages and grain legumes offer ecological benefits such as nitrogen fixation, soil improvement, and erosion control which contribute to improve cropping efficiency. Besides these agronomical assets, they can be used as animal feeds in mixed farming systems. In this paper we review options to include locally-grown forages and grain legumes as alternative protein sources in the diets of pigs and poultry in order to reduce farmers’ dependence on externally-purchased protein concentrates. The potential nutritive value of a wide range of forages and grain legumes is presented and discussed. The influence of dietary fibre and plant secondary metabolites contents and their antinutritive consequences on feed intake, digestive processes and animal performances are considered according to the varying composition in those compounds of the different plant species and cultivars covered in this review. Finally, methods to overcome the antinutritive attributes of the plant secondary metabolites using heat, chemical or biological treatment are reviewed regarding their efficiency and their suitability in low input farming systems.

Iron Uptake and Homeostasis in Microorganisms

Preface. Iron is considered to be a minor element employed, in a variety of forms, by nearly all living organisms. In some cases, it is utilised in large quantities, for instance for the formation of magnetosomes within magnetotactic bacteria or during use of iron as a respiratory donor or acceptor by iron oxidising or reducing bacteria. However, in most cases the role of iron is restricted to its use as a cofactor or prosthetic group assisting the biological activity of many different types of protein. The key metabolic processes that are dependent on iron as a cofactor are numerous; they include respiration, light harvesting, nitrogen fixation, the Krebs cycle, redox stress resistance, amino acid synthesis and oxygen transport. Indeed, it is clear that Life in its current form would be impossible in the absence of iron. One of the main reasons for the reliance of Life upon this metal is the ability of iron to exist in multiple redox states, in particular the relatively stable ferrous (Fe2+) and ferric (Fe3+) forms. The availability of these stable oxidation states allows iron to engage in redox reactions over a wide range of midpoint potentials, depending on the coordination environment, making it an extremely adaptable mediator of electron exchange processes. Iron is also one of the most common elements within the Earth’s crust (5% abundance) and thus is considered to have been readily available when Life evolved on our early, anaerobic planet. However, as oxygen accumulated (the ‘Great oxidation event’) within the atmosphere some 2.4 billion years ago, and as the oceans became less acidic, the iron within primordial oceans was converted from its soluble reduced form to its weakly-soluble oxidised ferric form, which precipitated (~1.8 billion years ago) to form the ‘banded iron formations’ (BIFs) observed today in Precambrian sedimentary rocks around the world. These BIFs provide a geological record marking a transition point away from the ancient anaerobic world towards modern aerobic Earth. They also indicate a period over which the bio-availability of iron shifted from abundance to limitation, a condition that extends to the modern day. Thus, it is considered likely that the vast majority of extant organisms face the common problem of securing sufficient iron from their environment – a problem that Life on Earth has had to cope with for some 2 billion years. This struggle for iron is exemplified by the competition for this metal amongst co-habiting microorganisms who resort to stealing (pirating) each others iron supplies! The reliance of micro-organisms upon iron can be disadvantageous to them, and to our innate immune system it represents a chink in the microbial armour, offering an opportunity that can be exploited to ward off pathogenic invaders. In order to infect body tissues and cause disease, pathogens must secure all their iron from the host. To fight such infections, the host specifically withdraws available iron through the action of various iron depleting processes (e.g. the release of lactoferrin and lipocalin-2) – this represents an important strategy in our defence against disease. However, pathogens are frequently able to deploy iron acquisition systems that target host iron sources such as transferrin, lactoferrin and hemoproteins, and thus counteract the iron-withdrawal approaches of the host. Inactivation of such host-targeting iron-uptake systems often attenuates the pathogenicity of the invading microbe, illustrating the importance of ‘the battle for iron’ in the infection process. The role of iron sequestration systems in facilitating microbial infections has been a major driving force in research aimed at unravelling the complexities of microbial iron transport processes. But also, the intricacy of such systems offers a challenge that stimulates the curiosity. One such challenge is to understand how balanced levels of free iron within the cytosol are achieved in a way that avoids toxicity whilst providing sufficient levels for metabolic purposes – this is a requirement that all organisms have to meet. Although the systems involved in achieving this balance can be highly variable amongst different microorganisms, the overall strategy is common. On a coarse level, the homeostatic control of cellular iron is maintained through strict control of the uptake, storage and utilisation of available iron, and is co-ordinated by integrated iron-regulatory networks. However, much yet remains to be discovered concerning the fine details of these different iron regulatory processes. As already indicated, perhaps the most difficult task in maintaining iron homeostasis is simply the procurement of sufficient iron from external sources. The importance of this problem is demonstrated by the plethora of distinct iron transporters often found within a single bacterium, each targeting different forms (complex or redox state) of iron or a different environmental condition. Thus, microbes devote considerable cellular resource to securing iron from their surroundings, reflecting how successful acquisition of iron can be crucial in the competition for survival. The aim of this book is provide the reader with an overview of iron transport processes within a range of microorganisms and to provide an indication of how microbial iron levels are controlled. This aim is promoted through the inclusion of expert reviews on several well studied examples that illustrate the current state of play concerning our comprehension of how iron is translocated into the bacterial (or fungal) cell and how iron homeostasis is controlled within microbes. The first two chapters (1-2) consider the general properties of microbial iron-chelating compounds (known as ‘siderophores’), and the mechanisms used by bacteria to acquire haem and utilise it as an iron source. The following twelve chapters (3-14) focus on specific types of microorganism that are of key interest, covering both an array of pathogens for humans, animals and plants (e.g. species of Bordetella, Shigella, , Erwinia, Vibrio, Aeromonas, Francisella, Campylobacter and Staphylococci, and EHEC) as well as a number of prominent non-pathogens (e.g. the rhizobia, E. coli K-12, Bacteroides spp., cyanobacteria, Bacillus spp. and yeasts). The chapters relay the common themes in microbial iron uptake approaches (e.g. the use of siderophores, TonB-dependent transporters, and ABC transport systems), but also highlight many distinctions (such as use of different types iron regulator and the impact of the presence/absence of a cell wall) in the strategies employed. We hope that those both within and outside the field will find this book useful, stimulating and interesting. We intend that it will provide a source for reference that will assist relevant researchers and provide an entry point for those initiating their studies within this subject. Finally, it is important that we acknowledge and thank wholeheartedly the many contributors who have provided the 14 excellent chapters from which this book is composed. Without their considerable efforts, this book, and the understanding that it relays, would not have been possible. Simon C Andrews and Pierre Cornelis

Transcriptomic analysis of rhizobium leguminosarum biovar viciae in symbiosis with host plants pisum sativum and Vicia cracca

Rhizobium leguminosarum bv. viciae forms nitrogen-fixing nodules on several legumes, including pea (Pisum sativum) and vetch (Vicia cracca), and has been widely used as a model to study nodule biochemistry. To understand the complex biochemical and developmental changes undergone by R. leguminosarum bv. viciae during bacteroid development, microarray experiments were first performed with cultured bacteria grown on a variety of carbon substrates (glucose, pyruvate, succinate, inositol, acetate, and acetoacetate) and then compared to bacteroids. Bacteroid metabolism is essentially that of dicarboxylate-grown cells (i.e., induction of dicarboxylate transport, gluconeogenesis and alanine synthesis, and repression of sugar utilization). The decarboxylating arm of the tricarboxylic acid cycle is highly induced, as is gamma-aminobutyrate metabolism, particularly in bacteroids from early (7-day) nodules. To investigate bacteroid development, gene expression in bacteroids was analyzed at 7, 15, and 21 days postinoculation of peas. This revealed that bacterial rRNA isolated from pea, but not vetch, is extensively processed in mature bacteroids. In early development (7 days), there were large changes in the expression of regulators, exported and cell surface molecules, multidrug exporters, and heat and cold shock proteins. fix genes were induced early but continued to increase in mature bacteroids, while nif genes were induced strongly in older bacteroids. Mutation of 37 genes that were strongly upregulated in mature bacteroids revealed that none were essential for nitrogen fixation. However, screening of 3,072 mini-Tn5 mutants on peas revealed previously uncharacterized genes essential for nitrogen fixation. These encoded a potential magnesium transporter, an AAA domain protein, and proteins involved in cytochrome synthesis.

Thiamine is synthesized by a salvage pathway in Rhizobium leguminosarum bv. viciae strain 3841

In the absence of added thiamine, Rhizobium leguminosarum bv. viciae strain 3841 does not grow in liquid medium and forms only "pin" colonies on agar plates, which contrasts with the good growth of Sinorhizobium meliloti 1021, Mesorhizobium loti 303099, and Rhizobium etli CFN42. These last three organisms have thiCOGE genes, which are essential for de novo thiamine synthesis. While R. leguminosarum bv. viciae 3841 lacks thiCOGE, it does have thiMED. Mutation of thiM prevented formation of pin colonies on agar plates lacking added thiamine, suggesting thiamine intermediates are normally present. The putative functions of ThiM, ThiE, and ThiD are 4-methyl-5-(beta-hydroxyethyl) thiazole (THZ) kinase, thiamine phosphate pyrophosphorylase, and 4-amino-5-hydroxymethyl-2-methyl pyrimidine (HMP) kinase, respectively. This suggests that a salvage pathway operates in R. leguminosarum, and addition of HMP and THZ enabled growth at the same rate as that enabled by thiamine in strain 3841 but elicited no growth in the thiM mutant (RU2459). There is a putative thi box sequence immediately upstream of the thiM, and a gfp-mut3.1 fusion to it revealed the presence of a promoter that is strongly repressed by thiamine. Using fluorescent microscopy and quantitative reverse transcription-PCR, it was shown that thiM is expressed in the rhizosphere of vetch and pea plants, indicating limitation for thiamine. Pea plants infected by RU2459 were not impaired in nodulation or nitrogen fixation. However, colonization of the pea rhizosphere by the thiM mutant was impaired relative to that of the wild type. Overall, the results show that a thiamine salvage pathway operates to enable growth of Rhizobium leguminosarum in the rhizosphere, allowing its survival when thiamine is limiting.

Metabolic changes of rhizobia in legume nodules

Bacteria have evolved a wide variety of metabolic strategies to cope with varied environments. Some are specialists and only able to survive in restricted environments; others are generalists and able to cope with diverse environmental conditions. Rhizolbia (e.g. Rhizobium, Sinorhizobium, Bradyrhizobium, Mesorhizobium and Azorhizobium species) can survive and compete for nutrients in soil and the plant rhizosphere but can also form a beneficial symbiosis with legumes in a highly specialized plant cell environment. Inside the legume-root nodule, the bacteria (bacteroids) reduce dinitrogen to ammonium, which is secreted to the plant in exchange for a carbon and energy source. A new and challenging aspect of nodule physiology is that nitrogen fixation requires the cycling of amino acids between the bacteroid and plant. This review aims to summarize the metabolic plasticity of rhizobia and the importance of amino acid cycling.