Atividades de nitrogenase e redutase de nitrato e produtividade do feijoeiro “Ouro Negro” em resposta à adubação foliar com molibdênio

A efetividade do suprimento de nitrogênio ao feijoeiro, por meio de fertilizante e, ou, de fixação biológica, e a dependência desses processos à disponibilidade de molibdênio constituem, ainda, um problema mal resolvido. Objetivando avaliar os efeitos da aplicação foliar de Mo na atividade das enzimas nitrogenase e redutase do nitrato e na produtividade do feijoeiro, realizou-se um experimento, em condições de campo, em um Podzólico Vermelho-Amarelo do município de Coimbra (MG). Os tratamentos constituíram-se de doses crescentes de Mo (0, 40, 80 e 120 g ha-1 de Mo), aplicadas em adubação foliar aos 25 dias da emergência. Na adubação de base, usaram-se 20 kg ha-1 de N e 60 kg ha-1 de K2O. Não foi aplicado nitrogênio em cobertura. A aplicação foliar de Mo aumentou as atividades da nitrogenase e da redutase do nitrato, mantendo-as em patamares mais altos durante o ciclo da cultura, proporcionando maiores teores de N nas folhas e maior produtividade. A eficiência máxima foi alcançada com 80 g ha-1 de Mo, com produtividade de 1.893 kg ha-1 de grãos, 3,23 vezes maior que a da testemunha (sem Mo). A aplicação foliar de Mo aumentou, também, em 1,54 vez o número de vagens por planta, em 0,23 o número de grãos por vagem e em 0,15 o peso de 100 grãos, em comparação ao tratamento que não recebeu Mo.

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 +.

Distribution of nitrogen fixation and nitrogenase-like sequences amongst microbial genomes

Abstract Background The metabolic capacity for nitrogen fixation is known to be present in several prokaryotic species scattered across taxonomic groups. Experimental detection of nitrogen fixation in microbes requires species-specific conditions, making it difficult to obtain a comprehensive census of this trait. The recent and rapid increase in the availability of microbial genome sequences affords novel opportunities to re-examine the occurrence and distribution of nitrogen fixation genes. The current practice for computational prediction of nitrogen fixation is to use the presence of the nifH and/or nifD genes. Results Based on a careful comparison of the repertoire of nitrogen fixation genes in known diazotroph species we propose a new criterion for computational prediction of nitrogen fixation: the presence of a minimum set of six genes coding for structural and biosynthetic components, namely NifHDK and NifENB. Using this criterion, we conducted a comprehensive search in fully sequenced genomes and identified 149 diazotrophic species, including 82 known diazotrophs and 67 species not known to fix nitrogen. The taxonomic distribution of nitrogen fixation in Archaea was limited to the Euryarchaeota phylum; within the Bacteria domain we predict that nitrogen fixation occurs in 13 different phyla. Of these, seven phyla had not hitherto been known to contain species capable of nitrogen fixation. Our analyses also identified protein sequences that are similar to nitrogenase in organisms that do not meet the minimum-gene-set criteria. The existence of nitrogenase-like proteins lacking conserved co-factor ligands in both diazotrophs and non-diazotrophs suggests their potential for performing other, as yet unidentified, metabolic functions. Conclusions Our predictions expand the known phylogenetic diversity of nitrogen fixation, and suggest that this trait may be much more common in nature than it is currently thought. The diverse phylogenetic distribution of nitrogenase-like proteins indicates potential new roles for anciently duplicated and divergent members of this group of enzymes.

(Table 1) Effects of desiccation on photochemical processes and nitrogenase activity in Nostoc commune s.l. colonies

The effects of desiccation on photochemical processes and nitrogenase activity were evaluated in Nostoc commune s.l. colonies in situ from a wet thufur meadow at Petuniabukta, Billefjorden, Central Svalbard, during the 2009 arctic summer. The colonies were collected in the fully hydrated state, and were subjected to slow desiccation at ambient temperatures (5 - 8°C) and low light (30 - 80 µmol/m**2/s). For each colony the weight, area, photochemical performance, and nitrogenase activity were determined at the beginning, as well as on every day during the first four days of the experiment; thereafter, on every second day until desiccation was complete. The photochemical performance was evaluated from variable chlorophyll fluorescence parameters (FV/FM, Phi(PSII) , qP, and NPQ), and the nitrogenase activity was estimated by an acetylene-ethylene reduction assay. A significant decrease in the photochemically active area was recorded from the third day, when the colony had lost approximately 40% of its original weight indicating some changes in the extracellular matrix, and stopped on the 14th to 18th day. No effects of the desiccation on the main photochemical parameters (FV/FM, Phi(PSII), qP) were observed up to the sixth to eighth days of desiccation. Slightly lower values of FV/FM and Phi(PSII) recorded in fully-hydrated colonies could be caused by impaired diffusion of CO2 into cells. The steep reduction of photochemical activity occurred between the eighth and tenth day of the experiment, when the colony had lost approximately 80% of its fully-hydrated weight. The nitrogenase activity was highest on the first day, probably due to improved diffusion of N2 into cells, then declined, but was detectable until the sixth day of the experiment. Since Nostoc commune s.l. colonies were capable of photosynthesis and nitrogen fixation to the level of ca. 60% of its fully-hydrated weight, even partly-hydrated colonies contribute substantially to carbon and nitrogen cycling in the High Arctic wet meadow tundra ecosystem.

Azotobacter vinelandii nitrogenase: “Kinetics of nif gene expression and insights into the roles of FdxN and NifQ in FeMo-co biosynthesis”

The Molybdenum-nitrogenase is responsible for most biological nitrogen fixation activity (BNF) in the biosphere. Due to its great agronomical importance, it has been the subject of profound genetic and biochemical studies. The Mo nitrogenase carries at its active site a unique iron-molybdenum cofactor (FeMoco) that consists of an inorganic 7 Fe, 1 Mo, 1 C, 9 S core coordinated to the organic acid homocitrate. Biosynthesis of FeMo-co occurs outside nitrogenase through a complex and highly regulated pathway involving proteins acting as molecular scaffolds, metallocluster carriers or enzymes that provide substrates in appropriate chemical forms. Specific expression regulatory factors tightly control the accumulation levels of all these other components. Insertion of FeMo-co into a P-cluster containing apo-NifDK polypeptide results in nitrogenase reconstitution. Investigation of FeMo-co biosynthesis has uncovered new radical chemistry reactions and new roles for Fe-S clusters in biology.

Glycolytic Flux Is Adjusted to Nitrogenase Activity in Nodules of Detopped and Argon-Treated Alfalfa Plants1

To investigate the short-term (30–240 min) interactions among nitrogenase activity, NH4+ assimilation, and plant glycolysis, we measured the concentrations of selected C and N metabolites in alfalfa (Medicago sativa L.) root nodules after detopping and during continuous exposure of the nodulated roots to Ar:O2 (80:20, v/v). Both treatments caused an increase in the ratios of glucose-6-phosphate to fructose-1,6-bisphosphate, fructose-6-phosphate to fructose-1,6-bisphosphate, phosphoenolpyruvate (PEP) to pyruvate, and PEP to malate. This suggested that glycolytic flux was inhibited at the steps catalyzed by phosphofructokinase, pyruvate kinase, and PEP carboxylase. In the Ar:O2-treated plants the apparent inhibition of glycolytic flux was reversible, whereas in the detopped plants it was not. In both groups of plants the apparent inhibition of glycolytic flux was delayed relative to the decline in nitrogenase activity. The decline in nitrogenase activity was followed by a dramatic increase in the nodular glutamate to glutamine ratio. In the detopped plants this was coincident with the apparent inhibition of glycolytic flux, whereas in the Ar:O2-treated plants it preceded the apparent inhibition of glycolytic flux. We propose that the increase in the nodular glutamate to glutamine ratio, which occurs as a result of the decline in nitrogenase activity, may act as a signal to decrease plant glycolytic flux in legume root nodules.

The chaperone GroEL is required for the final assembly of the molybdenum-iron protein of nitrogenase

It is known that an E146D site-directed variant of the Azotobacter vinelandii iron protein (Fe protein) is specifically defective in its ability to participate in iron-molybdenum cofactor (FeMoco) insertion. Molybdenum-iron protein (MoFe protein) from the strain expressing the E146D Fe protein is partially (≈45%) FeMoco deficient. The “free” FeMoco that is not inserted accumulates in the cell. We were able to insert this “free” FeMoco into the partially pure FeMoco-deficient MoFe protein. This insertion reaction required crude extract of the ΔnifHDK A. vinelandii strain CA12, Fe protein and MgATP. We used this as an assay to purify a required “insertion” protein. The purified protein was identified as GroEL, based on the molecular mass of its subunit (58.8 kDa), crossreaction with commercially available antibodies raised against E. coli GroEL, and its NH2-terminal polypeptide sequence. The NH2-terminal polypeptide sequence showed identity of up to 84% to GroEL from various organisms. Purified GroEL of A. vinelandii alone or in combination with MgATP and Fe protein did not support the FeMoco insertion into pure FeMoco-deficient MoFe protein, suggesting that there are still other proteins and/or factors missing. By using GroEL-containing extracts from a ΔnifHDK strain of A. vinelandii CA12 along with FeMoco, Fe protein, and MgATP, we were able to supply all required proteins and/or factors and obtained a fully active reconstituted E146D nifH MoFe protein. The involvement of the molecular chaperone GroEL in the insertion of a metal cluster into an apoprotein may have broad implications for the maturation of other metalloenzymes.

A second nitrogenase in vegetative cells of a heterocyst-forming cyanobacterium.

In many filamentous cyanobacteria nitrogen fixation occurs in differentiated cells called heterocysts. Filamentous strains that do not form heterocysts may fix nitrogen in vegetative cells, primarily under anaerobic conditions. We describe here two functional Mo-dependent nitrogenases in a single organism, the cyanobacterium Anabaena variabilis. Using a lacZ reporter with a fluorescent beta-galactoside substrate for in situ localization of gene expression, we have shown that the two clusters of nif genes are expressed independently. One nitrogenase functions only in heterocysts under either aerobic or anaerobic growth conditions, whereas the second nitrogenase functions only under anaerobic conditions in vegetative cells and heterocysts. Differences between the two nif clusters suggest that the nitrogenase that is expressed in heterocysts is developmentally regulated while the other is regulated by environmental factors.

Can a N-2-fixing Gluconacetobacter diazotrophicus association with sugarcane be achieved?

Several published studies claim that high rates of N-2 fixation occur in sugarcane and sorghum, and have ascribed this result to infection by the bacterium Gluconacetobacter diazotrophicus, abetted by arbuscular mycorrhizal infection ( Glomus clarum). These results have not been confirmed within Australia. In this study, G. diazotrophicus was detected in stalks of field-grown sugarcane in Australia ( based on phenotypic tests, and a PCR test using species-specific primers developed to amplify a fragment of the G. diazotrophicus 16S rRNA gene). Isolates were nitrogenase positive ( acetylene reduction assay) in vitro. However, in glasshouse trials involving inoculation of sugarcane setts with G. diazotrophicus, co-inoculation with mycorrhizae, and plant growth under low N status, recovery of bacteria from maturing plants was variable. At 165 days from planting, no appreciable N-2-fixation, as assessed by dry weight increment, N budget, or N-15 ratio, of either an Australian or a Brazilian cultivar of sugarcane, or a sorghum cultivar, was achieved. We conclude that a N-2-fixing sugarcane - G. diazotrophicus association is not easily achievable, being primarily limited by a lack of infection.

Produção de Biohidrogénio pela cianobactéria Anabaena sp. PCC 7120 e mutantes: efeito do ciclo de luz (dia/noite) e da intensidade luminosa

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para a obtenção de Grau de Mestre em Energia e Bioenergia

Produção de biohidrogénio por cianobactérias: optimização da produção de biohidrogénio pela Anabaena sp. PCC 7120 wild type e mutantes

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Energia e Bioenergia

Efeitos da nutrição mineral sobre o crescimento, aspecto, composição elementar e fixação de nitrogênio em Azolla

Azolla filiculoides Lam foi cultivado em solução nutritiva arejada, sempre desprovida de N combinado, sendo submetida aos seguintes tratamentos: omissão de P, K, Ca, Mg, S, Fe e Mo, excesso de Mn e Al. As plantas foram colhidas depois de 3 semanas da inoculação. Verificou-se que as deficiências de P, K, Ca e Mg provocaram diminuição na produção de matéria seca e na atividade de nitrogenase. A análise mineral mostrou que: a falta de um elemento provoca redução no seu teor; grande acumulo de Mo; diminuição no teor de Al (do inóculo ou contaminação) no tratamento menos S que garantiu o maior crescimento; efeitos inibitórios ou sinergísticos semelhantes aos descritos no caso de plantas superiores. A toxidez de Al e Mn causou, principalmente a primeira, redução no crescimento e na atividade da nitrogenase. Houve correlações positivas entre: N total e crescimento, atividade de nitrogenase e N total.

Isoquantas de produtividade de soja e sorgo para níveis de calagem e molibdênio

A calagem tem sido considerada uma prática suficiente para o suprimento de molibdênio (Mo) para as culturas, pelo aumento do pH que o torna mais disponível no solo. A cultura da soja exige doses elevadas de calcário para a otimização da produtividade, o que também está relacionado com a demanda adicional de Mo para o complexo da nitrogenase, atuante na fixação do nitrogênio. Assim, o presente trabalho foi planejado para estudar as interações entre calagem e Mo, nas culturas de soja e sorgo, em um Podzólico Vermelho-Amarelo da Estação Experimental de Mococa (IAC), de 1985 a 1989. Os tratamentos foram arranjados no delineamento experimental de blocos ao acaso, com parcelas subdivididas e quatro repetições. Nas parcelas principais, foram aplicadas as doses de calcário 0, 2, 4, 6, e 8 t ha-1 (PRNT = 126%) e, nas subparcelas, as doses de Mo de 0, 50 e 100 g ha-1, aplicadas às sementes, na forma de molibdato de amônio. Foram realizados três cultivos de soja, cultivar IAC 11, e um de sorgo granífero, híbrido DK 64. Em todos os cultivos, as respostas à calagem foram acentuadas, porém reduzidas com a aplicação de molibdênio, tanto para a soja como para o sorgo. Tais resultados demonstraram a relação de substituição de calcário por Mo. A resposta da soja ao Mo foi mais acentuada na ausência do calcário, enquanto a do sorgo, mais sensível à acidez do solo, foi mais acentuada nas doses intermediárias de calcário. De modo geral, as respostas ao Mo ocorreram até o valor de pH (CaCl2 ) do solo igual a 5,2. Concluiu-se que altas produtividades de soja exigem níveis mais elevados de correção de acidez de solo, e que é possível reduzir a necessidade de calagem, para atingir a produtividade máxima, mediante a aplicação de Mo nas sementes, para ambas as culturas, principalmente num solo ácido com pouco alumínio e manganês trocáveis.

Efeitos da calagem, cobalto e molibdênio sobre a concentração de clorofila nas folhas de amendoim

Para avaliar os efeitos da calagem e da aplicação de cobalto e molibdênio nas sementes sobre a concentração de clorofila em folhas de plantas de amendoim, foram instalados experimentos, no período "das águas", nos anos agrícolas 1990/91 e 1991/92, em área de ocorrência de Latossolo Vermelho-Escuro distrófico textura média. Foram utilizadas quatro doses de calcário dolomítico calcinado: 0, 4, 6 e 8 t ha-1; dois cultivares de amendoim: "Tatu" e "Tupã", e quatro tratamentos de sementes: não tratadas, tratadas com cobalto, com molibdênio e com cobalto mais molibdênio. Verificou-se que, em condições de elevada acidez do solo, a aplicação de molibdênio nas sementes aumentou a concentração de clorofila nas folhas do amendoim, com efeito semelhante ao da calagem na ausência de molibdênio. A concentração de clorofila correlacionou-se positivamente com o teor de nitrogênio nas folhas, indicando que os efeitos da calagem e da aplicação de molibdênio sobre a concentração de clorofila foram basicamente ocasionados pela melhoria do processo de fixação simbiótica do nitrogênio por maior atividade da nitrogenase. Houve aumento linear da produção de vagens e grãos do cultivar "Tatu" com o aumento da concentração de clorofila nas folhas e, no caso do cultivar "Tupã", a máxima produção de vagens e grãos foi obtida para concentração de clorofila nas folhas de 4,6 mg dm-2.

Crescimento e nodulação de Acacia mangium, Enterolobium contortisiliquum e Sesbania virgata em solo contaminado com metais pesados

Um dos desafios atuais da pesquisa é encontrar plantas e microssimbiontes tolerantes e que possibilitem a revegetação de áreas degradadas por excesso de metais pesados. Este experimento foi realizado no período de agosto a dezembro de 1998, em casa de vegetação do Departamento de Ciência do Solo da UFLA, Lavras (MG), com o objetivo de avaliar a tolerância a metais pesados e a capacidade de estabelecimento de simbiose de rizóbio de diferentes origens com Enterolobium contortisiliquum (tamboril), Acacia mangium (acácia) e Sesbania virgata (sesbânia), em misturas de solos, que continham proporções de solo contaminado (PSC): (0, 15, 30, 45 e 60% v/v) com Zn, Cd, Pb e Cu (18.600, 135, 600 e 596 mg dm-3, extraídos por aqua regia, respectivamente), diluído em Latossolo Vermelho distrófico. Estirpes recomendadas (E) e isolados de solo contaminado (ISC) e de solo não contaminado (ISNC), cuja tolerância a Cu, Cd e Zn foi determinada previamente "in vitro", foram inoculados. O aumento da PSC nas misturas inibiu o crescimento vegetativo, a produção de matéria seca e a nodulação das três espécies. A simbiose tamboril-BR4406 foi a mais tolerante e acácia-BR3617 a mais sensível à contaminação do solo. Os ISC que foram mais tolerantes "in vitro" formaram nódulos eficientes em solo sem contaminação, mas foram ineficientes em solos contaminados. Na PSC 15% (Zn = 750; Cd = 22,1; Pb = 65,1 e Cu = 111 mg dm-3 extraídos por DTPA) a atividade específica da nitrogenase aumentou 5 e 10 vezes em relação ao solo sem contaminação para as simbioses sesbânia-BR5401 e tamboril-BR4406, respectivamente. A tolerância de rizóbio a metais "in vitro" não correspondeu à tolerância da simbiose em solo contaminado.