Anthropogenic impact on diazotrophic diversity in the mangrove rhizosphere revealed by nifH pyrosequencing

Diazotrophs in the mangrove rhizosphere play a major role in providing new nitrogen to the mangrove ecosystem and their composition and activity are strongly influenced by anthropogenic activity and ecological conditions. In this study, the diversity of the diazotroph communities in the rhizosphere sediment of five tropical mangrove sites with different levels of pollution along the north and south coastline of Singapore were studied by pyrosequencing of the nifH gene. Bioinformatics analysis revealed that in all the studied locations, the diazotroph communities comprised mainly of members of the diazotrophic cluster I and cluster III. The detected cluster III diazotrophs, which were composed entirely of sulfate-reducing bacteria, were more abundant in the less polluted locations. The metabolic capacities of these diazotrophs indicate the potential for bioremediation and resiliency of the ecosystem to anthropogenic impact. In heavily polluted locations, the diazotrophic community structures were markedly different and the diversity of species was significantly reduced when compared with those in a pristine location. This, together with the increased abundance of Marinobacterium, which is a bioindicator of pollution, suggests that anthropogenic activity has a negative impact on the genetic diversity of diazotrophs in the mangrove rhizosphere.

Effect of diazotrophic bacterium inoculation and organic fertilization on yield of Champaka pineapple intercropped with irrigated sapota.

The purpose of this study was to evaluate the response of the Champaka pineapple to inoculation with the diazotrophic bacterium Asaia bogorensis (strain 219) when grown with organic fertilizer in an irrigated sapota orchard. Plantlets were transplanted to tubes containing a mixture of worm compost and vermiculite and inoculated with 108 bacterial cells. After five and a half months of acclimatization the plantlets were transplanted in furrows in the sapota orchard. Fertilizer was placed at the bottom of the furrows and covered with three doses (2.5; 5.0 and 7.5 L linear m−1 row) of three organic composts. The successful association of the plantlets with the diazo-trophic bacterium was confirmed by most probable number analysis before transferring to the field. Plants inoculated with strain AB219 showed the greatest initial leaf growth and produced the heaviest fruits compared to uninoculated plants. Plant growth and fruit yield increased with increasing compost dosages. The results suggested that Champaka pineapple benefited from the association of A. bogorensis (strain 219) when grown under irrigation and with organic fertilizer.

Seasonal ITCZ migration dynamically controls the location of the (sub)tropical Atlantic biogeochemical divide

Inorganic nitrogen depletion restricts productivity in much of the low-latitude oceans, generating a selective advantage for diazotrophic organisms capable of fixing atmospheric dinitrogen (N2). However, the abundance and activity of diazotrophs can in turn be controlled by the availability of other potentially limiting nutrients, including phosphorus (P) and iron (Fe). Here we present high-resolution data (∼0.3°) for dissolved iron, aluminum, and inorganic phosphorus that confirm the existence of a sharp north–south biogeochemical boundary in the surface nutrient concentrations of the (sub)tropical Atlantic Ocean. Combining satellite-based precipitation data with results from a previous study, we here demonstrate that wet deposition in the region of the intertropical convergence zone acts as the major dissolved iron source to surface waters. Moreover, corresponding observations of N2 fixation and the distribution of diazotrophic Trichodesmium spp. indicate that movement in the region of elevated dissolved iron as a result of the seasonal migration of the intertropical convergence zone drives a shift in the latitudinal distribution of diazotrophy and corresponding dissolved inorganic phosphorus depletion. These conclusions are consistent with the results of an idealized numerical model of the system. The boundary between the distinct biogeochemical systems of the (sub)tropical Atlantic thus appears to be defined by the diazotrophic response to spatial–temporal variability in external Fe inputs. Consequently, in addition to demonstrating a unique seasonal cycle forced by atmospheric nutrient inputs, we suggest that the underlying biogeochemical mechanisms would likely characterize the response of oligotrophic systems to altered environmental forcing over longer timescales.

Ocean acidification impacts on nitrogen fixation in the coastal western Mediterranean Sea

The effects of ocean acidification on nitrogen (N2) fixation rates and on the community composition of N2-fixing microbes (diazotrophs) were examined in coastal waters of the North-Western Mediterranean Sea. Nine experimental mesocosm enclosures of ∼50 m3 each were deployed for 20 days during June-July 2012 in the Bay of Calvi, Corsica, France. Three control mesocosms were maintained under ambient conditions of carbonate chemistry. The remainder were manipulated with CO2 saturated seawater to attain target amendments of pCO2 of 550, 650, 750, 850, 1000 and 1250 μatm. Rates of N2 fixation were elevated up to 10 times relative to control rates (2.00 ± 1.21 nmol L-1d-1) when pCO2 concentrations were >1000 μatm and pHT (total scale) < 7.74. Diazotrophic phylotypes commonly found in oligotrophic marine waters, including the Mediterranean, were not present at the onset of the experiment and therefore, the diazotroph community composition was characterised by amplifying partial nifH genes from the mesocosms. The diazotroph community was comprised primarily of cluster III nifH sequences (which include possible anaerobes), and proteobacterial (α and γ) sequences, in addition to small numbers of filamentous (or pseudo-filamentous) cyanobacterial phylotypes. The implication from this study is that there is some potential for elevated N2 fixation rates in the coastal western Mediterranean before the end of this century as a result of increasing ocean acidification. Observations made of variability in the diazotroph community composition could not be correlated with changes in carbon chemistry, which highlights the complexity of the relationship between ocean acidification and these keystone organisms.

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.

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.

Coberturas vegetais, doses de nitrogênio e inoculação de sementes com Azospirillum brasilense em arroz de terras altas no sistema plantio direto

O arroz é importante fonte de energia e proteínas para a população mundial, principalmente na Ásia e Oceania. No Brasil, juntamente com o feijão, constitui a base da alimentação. Tecnologias sustentáveis que reduzam custos da produção e aumentem a produtividade do arroz podem garantir seu suprimento em períodos de alta demanda. O objetivo deste trabalho foi avaliar diferentes coberturas vegetais antecessoras (milheto [Pennisetum americanum], crotalária [Crotalaria juncea], guandu [Cajanus cajan], braquiária [Brachiaria ruziziensis], milheto + crotalária e milheto + guandu), doses de nitrogênio (N) em cobertura (0, 40, 80 e 120 kg ha-1) e o efeito da inoculação de sementes com Azospirillum brasilense no arroz de terras altas em sistema plantio direto no desenvolvimento e na produtividade. Utilizou-se o delineamento experimental em blocos casualizados em esquema fatorial 6x4x2 com quatro repetições. O estudo foi desenvolvido em um Latossolo Vermelho, em Selvíria, Estado do Mato Grosso do Sul, Brasil, em 2011/2012. O cultivo do guandu antecedendo o arroz proporcionou maior produtividade do arroz somente em comparação a B. ruziziensi. A produtividade do arroz em função das doses de N em cobertura se ajustou a uma função quadrática. Não houve influência da inoculação de sementes com A. brasilense sobre a produtividade do arroz, porém houve interação entre a inoculação e as coberturas vegetais sobre o teor de N foliar, número de panículas por m², matéria seca de plantas de arroz e a massa de cem grãos.

Inoculação de sementes com bactéria diazotrófica e aplicação de nitrogênio em cobertura e foliar em milho

Considering the importance of nitrogen management and its biological fixation with diazotrophic bacteria, this study was carried out aiming to evaluate the agronomic performance of maize, in response to seed inoculation with Azospirillum brasilense and nitrogen application in side-dressing and leaf. The experiment was conducted in Selvíria, Mato Grosso of Sul State, Brazil, during the growing season 2010/2011, on a clayey Rhodic Haplustox (20° 20' S and 51° 24' W, with altitude of 340 m). Sixteen treatments were established with four replications, in randomized blocks with the combination of the factors A. brasilense (with and without inoculante), nitrogen rate (0 and 90 kg ha-1, in V5 growth stage) and urea leaf application (0, 4, 8 and 12%: application in V5 and V8 growth stage). The maize hybrid used was the DKB 390 YG®, sowed in the row spacing of 0.9 m. Parameters measured were productive and morphological components of culture and crop yield. Increase in maize yield by seed inoculation with A. brasilense was observed. The application of 90 kg ha -1 of nitrogen in side-dressing provided higher chlorophyll leaf index, stalk diameter and prolificacy, however, the yield not was increased. The application of urea leaf did not agronomic efficiency and, therefore, should not be used as the unique form of supply and alternative to nitrogen addition to crop.

Eficiência da azospirillum brasilense na fixação de nitrogênio em milho

Pós-graduação em Agronomia (Agricultura) - FCA

Impacto do aumento da concentração de CO2 do ar sobre a brusone do arroz

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Coberturas vegetais, doses de nitrogênio e inoculação de sementes com Azospirillum brasilense em arroz de terras altas no sistema plantio direto

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Plant growth promoting bacteria in Brachiaria brizantha

Brachiaria brizantha is considered one of the preferred fodders among farmers for having high forage yield and large production of root mass. The association of beneficial bacteria with these grasses can be very valuable in the recovery of the pasture areas with nutritional deficiency. With the aim of studying this possibility, we carried out the sampling of soil and roots of B. brizantha in three areas (Nova Odessa-SP, So Carlos-SP and Campo Verde-MT, Brazil). Seventy-two bacterial strains were isolated and used in tests to evaluate their biotechnological potential. Almost all isolates presented at least one positive feature. Sixty-eight isolates produced analogues of indole-3-acetic acid, ten showed nitrogenase activity when subjected to the method of increasing the concentration of total nitrogen (total N) in the culture medium and sixty-five isolates showed nitrogenase activity when subjected to acetylene reduction technique. The partial sequencing of 16S rRNA of these isolates allowed the identification of seven main groups, with the prevalence of those affiliated to the genus Stenotrophomonas (69 %). At the end, this work elected the strains C4 (Pseudomonadaceae) and C7 (Rhodospirillaceae) as promising organisms for the development of inoculants due to their higher nitrogenase activity.

Eficiência agronômica de bactérias diazotróficas na cultura da cana-de-açúcar (Saccharum spp.)

Pós-graduação em Agronomia (Produção Vegetal) - FCAV