SYMBIOTIC EFFECTIVENESS AND COMPETITIVENESS OF CALOPO RHIZOBIAL ISOLATES IN AN ARGISSOLO VERMELHO-AMARELO UNDER THREE VEGETATION COVERS IN THE DRY FOREST ZONE OF PERNAMBUCO

Biological N fixation in forage legumes is an important alternative to reduce pasture degradation, and is strongly influenced by the inoculant symbiotic capability. This paper evaluates the effectiveness of Calopo (Calopogonium mucunoides) rhizobial isolated from soil under three vegetation covers of an Argissolo Vermelho-Amarelo of the Dry Forest Zone of Pernambuco. An experiment was conducted evaluating 25 isolates, aside from 5 uninoculated controls with 0; 309; 60; 90 and 120 kg ha-1 N, and a treatment inoculated with the SEMIA 6152 strain. The first cut was performed 45 days after inoculation and a second and third cut after 45-day-intervals. Shoot N content was quantified at all cuts. Shoot dry mass was affected by N rates at all cuts. Shoot dry mass increased from the first to the second cut in inoculated plants. There was no difference between rhizobial isolates from the different plant covers for any of the variables. Most variables were significantly and positively correlated.

Symbiotic effectiveness and ecological characterization of indigenous Rhizobium loti populations in Uruguay

The objectives of this work were to describe the distribution, density and seasonal variation of the indigenous populations of Rhizobium loti in different Uruguayan soils and to determine the symbiotic effectiveness and stress tolerance factors of different isolates, both with the aim of obtaining selected strains to re-introduce as inoculants in Lotus pastures. R. loti was present in ten soils studied and their densities varied from year to year and within each soil. All the isolates nodulated Lotus corniculatus effectively. The nodules in Lotus pedunculatus and Lotus subbiflorus were small, red on the surface and ineffective in nitrogen fixation. The study of 50 isolates from the ten soils showed high variability in their symbiotic efficiency and tolerance to pH. The indigenous population was acid tolerant in culture medium (pH 4.5), 83% of them could grow at pH 4.5 in 3 days. This work showed that there was a great diversity between the strains of R. loti isolated from Uruguayan soils and supports the importance of selecting among them the most efficient and resistant strains to be included in the inoculants.

Effect of soil interacting herbicides on soybean nodulation in Balcarce, Argentina

Two trials were performed in Balcarce, Argentina (37° 45' LS; 58° 18' LW) during 1993-94, to assess the effect of eight herbicides applied individually or in tank mixtures, on nodule number, nodule dry weight, seed yield and N percent in seed in soybean Asgrow 3205, inoculated with Bradyrhizobium japonicum CB 1809. Individual herbicides and doses in kg ha-1 of a.i. were metribuzin (0.48), acetochlor (0.90), metolachlor (1), flumioxazin (0.075), trifluralin (0.96), imazaquin (0.20), imazethapyr (0.10) and chlorimuron ethyl (0.0125). The mixtures were metribuzin+acetochlor (0.48+0.9), flumioxazin+acetochlor (0.075+0.9), imazaquin+acetochlor (0.2+0.9), metribuzin+metolachlor (0.48+1.92), and flumioxazin+ metolachlor (0.075+1.92). A control treatment without herbicides was included. Both trials were laid out as randomized complete blocks with four replicates, on a loam illitic thermic petrocalcic Paleudoll, 5.7% organic matter (OM), 25% clay, 30.4 cmol kg-1 CEC. Nodules were sampled at V2 (second node), V6 (sixth node) and R5 (beginning seed) growth stages. Herbicides did not significantly affect the beginning of nodulation or nodule number and mass at R5, not either grain yield or N accumulation. This indicates lack of interference between soil interacting herbicides and N fixation in the high organic matter, loam soils of SE Buenos Aires province, even though a tendency in less number and dry weight of nodules was evident at the two latter growth stages.

Reprogramming plant cells for endosymbiosis.

The establishment of arbuscular mycorrhizal (AM) symbioses, formed by most flowering plants in association with glomeromycotan fungi, and the root-nodule (RN) symbiosis, formed by legume plants and rhizobial bacteria, requires an ongoing molecular dialogue that underpins the reprogramming of root cells for compatibility. In both endosymbioses, there are distinct phases to the interaction, including a presymbiotic anticipation phase and, subsequently, an intraradical accommodation of the microsymbiont. Maintenance of the endosymbiosis then depends on reciprocal nutrient exchange with the microsymbiont-obtaining plant photosynthates in exchange for mineral nutrients: enhanced phosphate and nitrogen uptake from AM fungi and fixed nitrogen from rhizobia. Despite the taxonomically distinct groups of symbionts, commonalities are observed in the signaling components and the modulation of host cell responses in both AM and RN symbioses, reflecting common mechanisms for plant cell reprogramming during endosymbiosis.

Differences in ureide and amino acid content of water stressed soybean inoculated with Bradyrhizobium japonicum and B. elkanii

The objective of this work was to study the response to water stress of a drought sensitive soybean cultivar inoculated with Bradyrhizobium japonicum (strain CB1809, Semia 586) and B. elkanii (strain 29W, Semia 5019). CB1809 nodulated plants produced a significantly higher root fraction (19%) than 29W (14.6%). Plants inoculated with CB1809 produced less nodules and accumulated more nitrogen than those inoculated with 29W. In general, low amounts of ureides in nodules were found in watered plants inoculated with either CB1809 or 29W strains, but those levels were five-fold increased in stressed plants inoculated with CB1809. Nodules formed by strain CB1809 had aspartate and glutamate as major amino acids, while those formed by 29W had glutamate, asparagine and alanine. In nodules of plants inoculated with CB1809 aspartate showed the highest accumulation (5 µmol g-1); in stressed plants this amino acid reached a value of 26 µmol g-1, and asparagine was not detected. Nodules formed by the strain 29W accumulated 1 µmol g-1 of aspartate, whether plants were stressed or not. Asparagine was the major amino acid found in nodules from watered plants (6 µmol g-1) and the amount of this amino acid was six-fold increased when plants were water stressed.

Rhizobium strains competitiveness on bean nodulation in Cerrado soils

The objective of this work was to identify the most competitive and effective Rhizobium strains in order to increase common bean yield by nitrogen fixation as alternative or complementation to the nitrogen fertilization. Competitiveness tests were lead in axenic conditions, in Cerrado soil pots and in three field experiments, with native Rhizobium strains that were previously identified, according to their effectiveness and genetic variability. The identification of strains in nodules was performed using serological tests (axenic conditions) - agglutination and enzyme linked immunosorbent (Elisa) assays - and random amplified polymorfic DNA (RAPD) (Cerrado soil). Plant yield was determined using the dry weight (greenhouse conditions), total N and grain yield (field experiments). Among the analyzed Rhizobium strains, native strain SLA 2.2 and commercial strain CIAT 899 were the dominant nodules in plants of the most productive plots, presenting yield productivity similar or higher to those obtained in treatments where 20 kg ha-1 of N were applied.

Amplification of 16S rRNA gene sequences to differentiate two highly related bradyrhizobia species

A 16S rRNA gene PCR-based assay was developed aiming at a fast molecular diagnostic method to differentiate the two phylogenetically closely related species Bradyrhizobium japonicum and B. elkanii, isolated from soybean nodules, in order to identify those more competitive and comprising greater nitrogen fixation ability for use in the formulation of commercial inoculants. The assay used was able to discriminate ten reference strains belonging to these two Bradyrhizobium species, as well as to efficiently identify 37 strains isolated from fields cultivated with soybean.

Cultivable mushroom growth-promoting bacteria and their impact on Agaricus blazei productivity

The objective of this work was to identify growth-promoting bacteria isolated from Agaricus blazei and to evaluate their effect on mushroom mycelial growth and productivity. A total of 56 A. blazei-associated bacterial isolates were obtained from casing soil and identified by 16S rRNA gene sequencing. Bacteria were evaluated as to phosphate-solubilization ability, nitrogen-fixation capability, and secretion of cellulase. Superior isolates were tested for their to effect on A. blazei productivity, micelial growth, and on the contents of the polysaccharide-protein complex and of N, P, K, Ca, and Mg. Bacterial isolates were identified as actinobacteria (60%), firmicutes (20%), and proteobacteria (20%). Among them, ten isolates had phosphate-solubilization ability, eight showed nitrogen-fixation capability, and 12 isolates promoted A. blazei mycelium growth. Bacterial inoculation reduces time till harvest in up to 26 days, increases fresh mushroom yield up to 215%, and increases total polysaccharide-protein complex content twofold when compared to the non-inoculated control. The actinobacteria group is the predominant A. blazei-associated phylum.

Soybean (Glycine max. L.) and bacteroid glyoxylate cycle activities during nodular senescence.

Soybean (Glycine max. L.) nodular senescence results in the dismantling of the peribacteroid membrane (PBM) and in an increase of soybean isocitrate lyase (ICL; EC 4.1.3.1) and malate synthase (MS; EC 4.1.3.2) mRNA and protein levels. This suggests that in senescing soybean nodular cells, the specific glyoxylate cycle enzyme activities might be induced to reallocate carbon obtained from the PBM degradation. In order to evaluate as well the carbon metabolism of the nitrogen-fixing Bradyrhizobium japonicum endosymbiotic bacteroids during nodular senescence, their glyoxylate cycle activities were also investigated. To this end, partial DNA sequences were isolated from their icl and ms genes, but the corresponding mRNAs were not detected in the microorganisms. It was also observed that the bacteroid ICL and MS activities were negligible during nodular senescence. This suggests that glyoxylate cycle activities are not reinitiated in the bacteroids under these physiological conditions. In case the microorganisms nevertheless feed on the PBM degradation products, this might occur via the citric acid cycle exclusively.

An overview of the metabolic differences between Bradyrhizobium japonicum 110 bacteria and differentiated bacteroids from soybean (Glycine max) root nodules: An in vitro 13C-and 31P-nuclear magnetic resonance spectroscopy study

Bradyrhizobium japonicum is a symbiotic nitrogen-fixing soil bacteria that induce root nodules formation in legume soybean (Glycine max.). Using 13C- and 31P-nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, we have analysed the metabolite profiles of cultivated B.japonicum cells and bacteroids isolated from soybean nodules. Our results revealed some quantitative and qualitative differences between the metabolite profiles of bacteroids and their vegetative state. This includes in bacteroids a huge accumulation of soluble carbohydrates such as trehalose, glutamate, myo-inositol and homospermidine as well as Pi, nucleotide pools and intermediates of the primary carbon metabolism. Using this novel approach, these data show that most of the compounds detected in bacteroids reflect the metabolic adaptation of rhizobia to the surrounding microenvironment with its host plant cells.

SELECTION OF HERBICIDES TARGETING THE USE IN CROP SYSTEMS CULTIVATED WITH SHOWY CROTALARIA

ABSTRACT The increase in the area planted with Crotalaria spectabilishas occurred by several factors, highlighting the potential to reduce the nematodes, nitrogen fixation and the high production of biomass. By becoming a species sown as a crop, it is necessary to control the weeds that coexist with showy crotalaria. This change in the use of this crop creates the possibility of this specie becoming a weed. The aim of this study was to assess the potential use of herbicides applied in preemergence and postemergence of C.spectabilisfor different purposes (control of volunteer and selectivity plants). Three experiments were installed in a greenhouse (two with herbicides applied in preemergence - in soils with distinct textural categories; and one experiment with herbicides applied in postemergence). The results of the experiments with herbicides applied in preemergence showed that: amicarbazone, atrazine, diuron, metribuzin, prometryn, fomesafen and sulfentrazone showed effectiveness for control of C.spectabilis in clayey soil. Besides these, flumioxazin and isoxaflutole also showed potential to be used in the control of showy crotalaria in soils with loam texture. In relation to the postemergence herbicides, atrazine, diuron, prometryn, flumioxazin, fomesafen, lactofen, saflufenacil, amonio-glufosinate and glyphosate can be used aiming the chemical control of C.spectabilis. Herbicides chlorimuron-ethyl, diclosulan, imazethapyr, pyrithiobac-sodium, trifloxysulfuron-sodium, clomazone, pendimethalin, S-metolachlor and trifluralin applied in preemergence, and imazethapyr, pyrithiobac-sodium, flumiclorac, bentazon and clethodim applied in postemergence caused low levels of injury to C.spectabilis plants, making necessary the development of new searches to ensure the selectivity of these products.

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.