Studies on the biodegradation of fosfomycin: Synthesis of 13C-labeled intermediates, feeding experiments with rhizobium huakuii PMY1, and Isolation of Labeled Amino Acids from Cell Mass by HPLC

Racemic (1R*,2R*)-1,2-dihydroxy-[1- ^{13C ₁]propylphosphonic acid and 1-hydroxy-[1- 13C ₁]acetone were synthesized and fed to R. huakuii PMY1. Alanine and a mixture of valine and methionine were isolated as their N-acetyl derivatives from the cell hydrolysate by reversed-phase HPLC and analyzed by NMR spectroscopy. It was found that the carbon atoms of the respective carboxyl groups were highly 13C-labeled (up to 65 %). Hydroxyacetone is therefore considered an obligatory intermediate of the biodegradation of fosfomycin by R. huakuii PMY1.}

Biodegradation of phosphonomycin by Rhizobium huakuii PMY1

The biodegradation by Rhizobium huakuii PMY1 of up to 10 mM phasphonomycin as a carbon, energy, and phosphorus source with accompanying P-1 release is described. This biodegradation represents a further mechanism of resistance to this antibiotic and a novel, phosphate-deregulated route for organophosphonate metabolism by Rhizobium spp.

Efeitos da toxicidade por metais pesados em Rhizobium leguminosarum bv. trifolii: diversidade e resposta de população isoladas de uma mina de chumbo

Nas últimas décadas verificou-se um aumento da contaminação dos solos com metais pesados resultante de processos antropogénicos. As descargas de efluentes industriais, a actividade mineira e a aplicação de lamas residuais e de fertilizantes são as principais fontes de metais pesados. Em certas regiões, a acumulação destes elementos nos solos tem atingido níveis preocupantes para o equilíbrio dos ecossistemas. Vários estudos têm demonstrado que os metais influenciam os microrganismos afectando adversamente o seu crescimento, morfologia e actividades bioquímicas resultando num decréscimo da biomassa e diversidade. Entre os microrganismos do solo, as bactérias pertencentes ao género Rhizobium têm um elevado interesse científico, económico e ecológico devido à sua capacidade para fixar azoto. Deste modo, o trabalho desenvolvido ao longo desta tese incidiu sobre o efeito da toxicidade imposta pelos metais nas bactérias fixadoras de azoto, em particular em Rhizobium leguminosarum bv. trifolii e teve como principais objectivos: determinar o efeito dos metais pesados na sobrevivência e na capacidade de fixar azoto dos isolados de rizóbio; avaliar a influência dos metais na diversidade das populações de rizóbio isoladas de solos contaminados; determinar os níveis de tolerância do rizóbio a diferentes metais e analisar a resposta ao stresse oxidativo imposto pelo cádmio. A Mina do Braçal foi o local de estudo escolhido uma vez que os seus solos estão muito contaminados com metais em resultado da extracção de minério durante mais de 100 anos. Foram escolhidos 3 solos com diferentes graus de contaminação, o solo BC com concentrações reduzidas de metais, escolhido por estar numa zona já fora da mina e designado por solo controlo e os solos BD e BA considerados medianamente e muito contaminados, respectivamente. O Pb e o Cd foram os metais predominantes nestes solos, assim como o metalóide As, cujas concentrações ultrapassaram largamente os limites previstos na lei. Sendo as enzimas do solo boas indicadoras da qualidade do mesmo, foi determinada a actividade de algumas como a desidrogenase (DHA) e a catalase (CAT). Ambas as enzimas correlacionaramse negativamente com as concentrações de metais nos solos. A dimensão das populações indígenas de rizóbio nos solos contaminados (BD e BA) foi bastante baixa, 9,1 bactérias g-1 de solo e 7,3 bactérias g-1 de solo, respectivamente, quando em comparação com a população do solo BC (4,24x104 bactérias g-1 de solo). Estes resultados parecem estar relacionados com o elevado conteúdo em metais e com o pH ácido dos solos. A capacidade simbiótica também foi afectada pela presença de metais, uma vez que os isolados originários do solo BD mostraram menor capacidade em fixar azoto do que os isolados do solo controlo. A diversidade das populações de rizóbio foi determinada com recurso à análise dos perfis de plasmídeos, perfis de REP e ERIC-PCR de DNA genómico e perfis de proteínas e lipopolissacarídeos. No conjunto dos 35 isolados analisados foram identificados 11 plasmídeos com pesos moleculares entre 669 kb e 56 kb. Embora a incidência de plasmídeos tenha sido superior nos isolados do solo BC verificou-se maior diversidade plasmídica na população isolada do solo BD. Resultados similares foram obtidos com os perfis de REP e ERIC-PCR e perfis de proteínas, que indicaram maior diversidade nas populações dos solos contaminados (BD e BA), contrariamente ao verificado por outros autores. O grau de tolerância aos metais pesados e ao arsénio dos vários isolados testados dependeu do metal e do local de origem. No geral, os isolados do solo BD mostraram maior tolerância aos metais do que os isolados do solo controlo, o que está de acordo com o esperado uma vez que geralmente as populações dos locais contaminados são mais tolerantes. Contudo, os isolados do local mais contaminado (BA) foram muito tolerantes apenas ao chumbo mostrando-se sensíveis aos restantes metais. A inoculação dos solos BC, BD e BA após irradiação com estirpes seleccionadas de rizóbio permitiu avaliar a sua sobrevivência ao longo de 12 meses em condições mais realistas. Verificou-se que após um decréscimo inicial, os isolados inoculados no solo BC conseguiram recuperar a dimensão das suas populações para números similares aos inicialmente introduzidos, contrariamente ao verificado no solo BD onde o número de rizóbios decresceu ao longo dos 12 meses. As condições adversas do solo BA apenas permitiram a sobrevivência de 4 isolados até aos 3 meses e apenas dois deles conseguiram sobreviver após 12 meses, designadamente C 3-1 e A 17-3. Estes isolados possuem um plasmídeo de 669 kb que poderá estar na base da sobrevivência destas estirpes. Por outro lado, o último isolado é originário do solo contaminado e por isso estará também mais adaptado a sobreviver às elevadas concentrações de Pb existentes no solo BA. Por fim, constatou-se que o cádmio, um dos metais presente em concentrações mais elevadas nos solos em estudo, é um indutor de stresse oxidativo nos isolados de rizóbio menos tolerantes o que foi confirmado pelo aumento de ROS e danos celulares ao nível dos lípidos.

Study of the Cd complexation mechanism by glutathione in Rhizobium leguminosarum

A associação simbiótica de plantas leguminosas com bactérias do género Rhizobium é o maior e mais eficiente contribuinte de azoto fixado biologicamente (Somasegaran e Hoben, 1994; Zahran, 1999). No entanto, o constante aumento da poluição em solos agrícolas, nomeadamente a contaminação por metais devido à aplicação de fertilizantes e de lamas, está a tornar-se um problema ambiental cada vez mais preocupante (Alloway, 1995a; Giller et al., 1998; Permina et al., 2006; Thorsen et al., 2009; Wani et al., 2008), influenciando de forma negativa a persistência destas bactérias nos solos agrícolas, assim como a sua eficácia de nodulação (Broos et al., 2005; Wani et al., 2008;. Zhengwei et al., 2005). Desta forma, o estudo dos mecanismos de tolerância de Rhizobium a metais tornou-se uma área de investigação de elevada importância. Com o trabalho apresentado nesta tese pretendeu-se perceber melhor a tolerância Rhizobium leguminosarum ao cádmio (Cd), dando particular atenção a um mecanismo de tolerância previamente descrito em R. leguminosarum (Lima et al., 2006): a complexação intracelular de Cd pelo tripéptido glutationa (GSH). Assim, o principal objectivo deste trabalho foi perceber melhor qual a importância deste mecanismo nos níveis de tolerância de rizóbio ao Cd. Como já tinha sido descrito em trabalhos anteriores (Figueira et al., 2005; Lima et al., 2006), foi possível verificar que a estirpe mais tolerante ao metal apresenta níveis mais elevados de Cd e GSH intracelulares. Demonstrou-se ainda que a tolerância ao Cd está dependente da maior eficiência no mecanismo de complexação observada na estirpe tolerante, logo durante as primeiras 12 h de crescimento. Gomes et al. (2002) verificou que a acumulação de complexos GSH-Cd no citoplasma inibe a entrada de metal na célula. Como neste trabalho se observou um aumento nos níveis de Cd intracelular na estirpe tolerante ao longo do tempo, surgiu a hipótese dos complexos serem excretados para o espaço periplasmático. Os elevados níveis de GSH e de Cd determinados no espaço periplasmático corroboraram esta hipótese. Neste trabalho demonstrou-se ainda que a eficácia do mecanismo de complexação, depende da actividade enzimática de uma isoforma específica de GST, que apresentou um elevado acréscimo de actividade na presença do metal. Desta forma, os resultados desta tese indicam que, a maior tolerância de R. leguminosarum ao Cd, depende da capacidade das estirpes para induzir a síntese de GSH na presença de Cd e, simultaneamente aumentar a actividade enzimática da GST específica, optimizando assim o mecanismo de complexação de Cd intracelular.

Inoculación de Vicia villosa R (Veza) y Melilotus alba M (Trébol dulce) con cepas de Rhizobium y su efecto como abonos verdes en la fertilización del suelo

Tesis (Maestría en Ciencias con Especialidad en Microbiología) UANL

Transducción generalizada en cepas Rhizobium spp [por] Rosalía Anaya Elizalde

Tesis (Maestría en Ciencias con Especialidad en Microbiología) U.A.N.L.

La fijación biológica de nitrógeno en frijol bajo condiciones de temporal y la diversidad genética de las poblaciones nativas de Rhizobium

Tesis (Doctorado en Ciencias con Especialidad en Microbiología) UANL

Producción de trehalosa por cepas de Rhizobium spp. y su relación con el comportamiento saprofítico

Tesis (Doctorado en Ciencias con Especialidad en Microbiología) UANL

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.

Legumes regulate Rhizobium bacteroid development and persistence by the supply of branched-chain amino acids

One of the largest contributions to biologically available nitrogen comes from the reduction of N-2 to ammonia by rhizobia in symbiosis with legumes. Plants supply dicarboxylic acids as a carbon source to bacteroids, and in return they receive ammonia. However, metabolic exchange must be more complex, because effective N-2 fixation by Rhizobium leguminosarum bv viciae bacteroids requires either one of two broad-specificity amino acid ABC transporters (Aap and Bra). It was proposed that amino acids cycle between plant and bacteroids, but the model was unconstrained because of the broad solute specificity of Aap and Bra. Here, we constrain the specificity of Bra and ectopically express heterologous transporters to demonstrate that branched-chain amino acid (LIV) transport is essential for effective N-2 fixation. This dependence of bacteroids on the plant for LIV is not due to their known down-regulation of glutamate synthesis, because ectopic expression of glutamate dehydrogenase did not rescue effective N-2 fixation. Instead, the effect is specific to LIV and is accompanied by a major reduction in transcription and activity of LIV biosynthetic enzymes. Bacteroids become symbiotic auxotrophs for LIV and depend on the plant for their supply. Bacteroids with aap bra null mutations are reduced in number, smaller, and have a lower DNA content than wild type. Plants control LIV supply to bacteroids, regulating their development and persistence. This makes it a critical control point for regulation of symbiosis. MICROBIOLOGY

Characterization of a gamma-aminobutyric acid transport system of rhizobium leguminosarum bv. viciae 3841

Spontaneous mutants of Rhizobium leguminosarum bv. viciae 3841 were isolated that grow faster than the wild type on gamma-aminobutyric acid (GABA) as the sole carbon and nitrogen source. These strains (RU1736 and RU1816) have frameshift mutations (gtsR101 and gtsR102, respectively) in a GntR-type regulator (GtsR) that result in a high rate of constitutive GABA transport. Tn5 mutagenesis and quantitative reverse transcription-PCR showed that GstR regulates expression of a large operon (pRL100242 to pRL100252) on the Sym plasmid that is required for GABA uptake. An ABC transport system, GtsABCD (for GABA transport system) (pRL100248-51), of the spermidine/putrescine family is part of this operon. GtsA is a periplasmic binding protein, GtsB and GtsC are integral membrane proteins, and GtsD is an ATP-binding subunit. Expression of gtsABCD from a lacZ promoter confirmed that it alone is responsible for high rates of GABA transport, enabling rapid growth of strain 3841 on GABA. Gts transports open-chain compounds with four or five carbon atoms with carboxyl and amino groups at, or close to, opposite termini. However, aromatic compounds with similar spacing between carboxyl and amino groups are excellent inhibitors of GABA uptake so they may also be transported. In addition to the ABC transporter, the operon contains two putative mono-oxygenases, a putative hydrolase, a putative aldehyde dehydrogenase, and a succinate semialdehyde dehydrogenase. This suggests the operon may be involved in the transport and breakdown of a more complex precursor to GABA. Gts is not expressed in pea bacteroids, and gtsB mutants are unaltered in their symbiotic phenotype, suggesting that Bra is the only GABA transport system available for amino acid cycling.

In vivo expression technology (IVET) selection of genes of Rhizobium leguminosarum biovar viciae A34 expressed in the rhizosphere

IVET was used to identify genes that are specifically expressed in the rhizosphere of the pea-nodulating bacterium Rhizobium leguminosarum A34. A library of R. leguminosarum A34 cloned in the integration vector pIE1, with inserts upstream of a promoter-less purN:gfp:gusA, was conjugated into purN host RU2249 and recombined into the genome. After removal of colonies that expressed the reporter genes of the vector under laboratory conditions, the library was inoculated into a nonsterile pea rhizosphere. The key result is that 29 rhizosphere-induced loci were identified. Sequence analysis of these clones showed that a wide variety of R. leguminosarum A34 genes are expressed specifically in the rhizosphere including those encoding proteins involved in environmental sensing, control of gene expression, metabolic reactions and membrane transport. These genes are likely to be important for survival and colonization of the pea rhizosphere.

Characterization of the quaternary amine transporters of Rhizobium leguminosarum bv. viciae 3841

Rhizobium leguminosarum bv. viciae 3841 contains six putative quaternary ammonium transporters (Qat), of the ABC family. Qat6 was strongly induced by hyperosmosis although the solute transported was not identified. All six systems were induced by the quaternary amines choline and glycine betaine. It was confirmed by microarray analysis of the genome that pRL100079-83 (qat6) is the most strongly upregulated transport system under osmotic stress, although other transporters and 104 genes are more than threefold upregulated. A range of quaternary ammonium compounds were tested but all failed to improve growth of strain 3841 under hyperosmotic stress. One Qat system (gbcXWV) was induced 20-fold by glycine betaine and choline and a Tn5::gbcW mutant was severely impaired for both transport and growth on these compounds, demonstrating that it is the principal system for their use as carbon and nitrogen sources. It transports glycine betaine and choline with a high affinity (apparent K-m, 168 and 294 nM, respectively).

Diversity, phylogeny and distribution of bean rhizobia in salt-affected soils of North-West Morocco

Different molecular methods: BOX-PCR fingerprinting, R-FLP-PCR and sequencing of the 16S rDNA as well as the symbiotic genes nodC and nifH, were used to study the genetic diversity within a collection of nodulating bean rhizobia isolated from five soils of North-West Morocco. BOX fingerprints analysis of 241 isolates revealed 19 different BOX profiles. According to the PFLP-PCR and sequencing of 16S rDNA carried out on 45 representative isolates, 5 genotypes were obtained corresponding to the species Rhizobium etli, R. tropici, R. gallicum, R. leguminosarum and Sinorhizobium meliloti. The most abundant species were R. etli and R. tropici (61% and 24%, respectively). A high intraspecific diversity was observed among the R. etli isolates, while the R. tropici group was homogeneous. Most of the rhizobia studied belong to species known to nodulate common bean, while 2 species were unconventional microsymbionts: R. leguminosarum biovar viciae and S. meliloti. Our results, especially the nodulation promiscuity of common bean and the relation between the predominance of some species of rhizobia in particular soils and the salt content of these soils, indicate that there is a real need for a better understanding of the distribution of common bean rhizobia species in the soils of Morocco before any inoculation attempt.