Native bradyrhizobial symbionts of Lupinus mariae-josephae, a unique endemism thriving in alkaline soils in Eastern Spain

Lupinus mariae-josephae (Lmj) es una especie de lupino endémica de una pequeña y específica área de Comunidad Valenciana (Este de España), donde prospera en suelos alcalinoscalcáreos, un hábitat singular para los altramuces, que crecen preferentemente en suelos ácidos o neutros. Esto hace de Lmj una especie de lupino única. Cuando se inició este trabajo, la extensión conocida de este endemismo abarcaba unos 700 kilómetros cuadrados, confinados en la provincia de Valencia. En esta área, Lmj prospera en pequeñas poblaciones aisladas que contienen un número reducido de plantas por lo que se la consideró una especie en peligro de extinción. Todos los esfuerzos, utilizando estrategias clásicas dirigidas a ampliar el área de crecimiento de Lmj y garantizar su conservación, han tenido un éxito limitado. El trabajo que se presenta está dirigido a mejorar el conocimiento de la ecología de Lmj, en particular la interacción simbiótica que establece con bacterias del suelo denominadas rizobios y se centra en la caracterización fenotípica, filogenética y genómica de esos rizobios. También se investiga la posible contribución de la simbiosis en mejorar la conservación de Lmj. Para este fin, se han estudiado diferentes aspectos que se describen a continuación. El primero objetivo se centró en aislar y estudiar de la diversidad genética de las bacterias endosimbióticas de Lmj. . Se realizó un análisis filogenético de genes esenciales que mostró que las cepas de Lmj pertenecen al género Bradyrhizobium y que presentan una gran diversidad con características fenotípicas y simbióticas diferentes de cepas de Bradyrhizobium que nodulan otras especies de lupinos nativos de España (cepas ISLU). Las cepas estudiadas se dividieron en dos grupos (Clado I y Clado II). El Clado I, incluye a las cepas Lmj, definiendo un nuevo linaje, filogenéticamente relacionado con otras especies de Bradyrhizobium, como B. jicamae y B. elkanii. El Clado II contiene cepas ISLU relacionadas con cepas de B. canariense y B. japonicum que establecen simbiosis con lupinos de suelos ácidos. Otro análisis filogenético basado en genes simbióticos, distribuyó las cepas de Lmj en sólo dos grupos diferentes. La singularidad y gran diversidad de estas cepas en una pequeña área geográfica, hacen de este, un atractivo sistema para el estudio de la evolución y adaptación de las bacterias simbióticas a su respectiva planta huésped. Adicionalmente, se estudio la presencia de bacterias capaces de nodular Lmj en suelos básicos de Chiapas, México. Sorprendentemente, estos suelos contienen bacterias capaces establecer interacciones simbióticas eficientes con Lmj en ensayos de invernadero. A continuación se investigó la taxonomía de los endosimbiontes de Lmj analizando la secuencia de cuatro genes esenciales (16S rRNA, recA, glnII y atpD) y el promedio de identidad de nucleótidos de genomas completos de algunas cepas representativas de la diversidad (ANIm). Se identificaron nuevas especies de Bradyrhizobium dentro del Clado I y se definió una de ellas: 'Bradyrhizobium valentinum' sp. nov (cepa tipo LmjM3T = CECT 8364T, LMG 2761T). También se abordó cómo conservar Lmj en su hábitat natural mediante inoculación con alguna de las cepas aisladas. Se demostró la ausencia de bacterias capaces de nodular Lmj en suelos rojos alcalinos o ‘‘terra rossa’’ de la Península Ibérica y Baleares. Dos cepas, altamente eficientes en cuanto a la fijación de nitrógeno, LmjC y LmjM3T, fueron seleccionadas para ser empleadas como inoculantes. Dos experimentos de campo llevados a cabo en años consecutivos en áreas con características edafoclimáticas similares a las que presentan las poblaciones de Lmj, lograron la reproducción exitosa de la planta. Se concluyó que un ciclo reproductivo exitoso de Lmj es absolutamente dependiente de la inoculación con sus simbiontes naturales y que la simbiosis debe ser considerada un factor esencial en estrategias de conservación de leguminosas en peligro. La obtención de varias secuencias genómicas de cepas aisladas de Lmj y de otras cepas de Bradyrhizobium reveló una alta similitud entre los genomas de las cepas del Clado I, y permitió la identificación de cinco posibles nuevas especies. Además, se estudiaron tres agrupaciones de genes relacionados con la simbiosis (nod, nif y fix) definiendo un nuevo linaje para las cepas de Lmj, diferente del symbiovar “genistearum” de B. canariense y B. japonicum. La baja diversidad encontrada en el análisis filogenético de los genes simbióticos contrasta con la gran diversidad asociada a genes esenciales. La presencia de plásmidos en cepas del género Bradyrhizobium ha sido descrita en muy pocas ocasiones, sin embargo el análisis de la secuencia genómica de la cepa ISLU101, aislada de Lupinus angustifolius, reveló la presencia de un origen de replicación extracromosómico homólogo al operón repABC, presente en el plásmido de Bradyrhizobium sp BTAi1. Gracias a esta secuencia se identificaron genes homólogos en 19 de 72 cepas ISLU. Filogenéticamente, las secuencias de repABC se agruparon en un grupo monofilético con las de pBTAi1 y separadas de los rizobios de crecimiento rápido. Finalmente, se identificaron sistemas de secreción de proteínas de tipo III (T3SS) en nueve genomas de cepas de Lmj. Los T3SS pueden inyectar proteínas efectoras al interior de células vegetales. Su presencia en rizobios se ha relacionado con la gama de hospedador que pueden nodular y puede tener un efecto beneficioso, neutro o perjudicial en la simbiosis. Los T3SS de las cepas de Lmj codifican para una proteína efectora similar a NopE, un efector dependiente de T3SS descrito en B. diazoefficiens USDA 110T. La proteína NopE de la cepa LmjC se ha caracterizado bioquímicamente. ABSTRACT Lupinus mariae-josephae (Lmj) is a lupine species endemic of a unique small area in Valencia region (Eastern Spain) where the lupine plants thrive in alkaline-limed soils, which preferentially grow in acid or neutral soils. This is the type of soils native lupines of Spain. When this work was initiated, the extension of the endemic area of Lmj was of about 700 squared kilometers confined to the Valencia province. In this area, Lmj thrives in small, isolated patches containing a reduced number of plants, and points to an endemism that can easily became endangered or extinct. Consequently, the Valencia Community authorities gave a ‘‘microreserve” status for conservation of the species. All efforts, using classical strategies directed to extend the area of Lmj growth and ensure its conservation have been so far unsuccessful. The work presented here is directed to improve our knowledge of Lmj ecology and it is centered in the characterization of the rhizobial symbiosis by phenotypic, phylogenetic and genomic analysis as well as in investigate the potential contribution of the symbiosis to improve its conservation. To this end, five different topics have been studied, and results are briefly described here. Extensive details can be followed en the attached, published articles. The first topic deals with the indigenous rhizobial symbionts of the Lmj endemism, and its genetic diversity was investigated. The Lmj root symbionts belong to the Bradyrhizobium genus, and phylogenetic analysis based on core genes identified a large diversity of Bradyrhizobium strains with phenotypic and symbiotic characteristics different from rhizobia nodulating other Lupinus spp. native of Spain. The strains were split in two clades. Clade II contained strains close to classical B. canariense and B. japonicum lineages that establish symbioses with lupines in acid soils of the Mediterranean area. Clade I included Lmj strains that define a new lineage, close to other Bradyrhizobium species as B. jicamae and B. elkanii. The phylogenetic analysis based on symbiotic genes identified only two distinct clusters. The singularity and large diversity of these strains in such a small geographical area makes this an attractive system for studying the evolution and adaptation of the rhizobial symbiont to the plant host. Additionally, the presence of bacteria able to nodulate Lmj in basic soils from Chiapas, Mexico was investigated. Surprisingly, these soils contain bacteria able to effectively nodulate and fix nitrogen with Lmj plants in greenhouse assays. In the second topic, the taxonomic status of the endosymbiotic bacteria of Lmj from Valencia endemism and Chiapas was investigated. Results from phylogenetic analysis of core genes and Average Nucleotide Identity (ANIm) using draft genomic sequences identified new Bradyrhizobium species within strains of Clade I of Lmj endosymbiotic bacteria. Only one of these potentially new species has been defined, meanwhile the others are under process of characterization. The name ‘Bradyrhizobium valentinum’ sp. nov. was proposed for the defined species (type strain LmjM3T= CECT 8364T, LMG 2761T). The third topic was directed to conservation of endangered Lmj in its natural habitat. The relevant conclusion of this experimentation is that the symbiosis should be considered as a relevant factor in the conservation strategies for endangered legumes. First, we showed absence of bacteria able to nodulate Lmj in all the inspected ‘‘terra rossa’’ or alkaline red soils of the Iberian Peninsula and Balearic Islands. Then, two efficient nitrogen fixing strains with Lmj plants, LmjC and LmjM3T, were selected as inoculum for seed coating. Two planting experiments were carried out in consecutive years under natural conditions in areas with edapho-climatic characteristics identical to those sustaining natural Lmj populations, and successful reproduction of the plant was achieved. The relevant conclusion from these assays was that the successful reproductive cycle was absolutely dependent on seedling inoculation with effective bradyrhizobia The forth topic deep into the analysis of the genomic of Lmj representative strains. To this end, draft genomic sequences of selected Lmj strains and type strains of Bradyrhizobium spp. were assembled. The comparison analysis of the draft genomic sequences of Lmj strains and related Bradyrhizobium species grouped in Clade I, revealed a high genomic homology among them, and allowed the definition of five potentially new species of Lmj nodulating bacteria. Also, based on the available draft genomic sequences, only three clusters of nod, fix and nif genes from Lmj strains were identified and showed to define a new symbiotic lineage, distant from that of B. canariense and B. japonicum bv. genistearum. The low diversity exhibited by the phylogenetic analysis of symbiotic genes contrast with the large diversity of strains as regards the housekeeping genes analyzed. Besides, the genomic analysis of a Lupinus angustifolius strain ISLU101, revealed the presence of an extrachromosomal replication origin homologous to repABC cluster from plasmid present in Bradyrhizobium spp BTAi1. This repABC cluster gene sequence allowed the identification of extrachromosomic replication origin in 19 out of 72 Bradyrhizobium strains from Lupinus spp., a highly significant result since the absence of plasmids in the Bradyrhizobium genus was traditionally assumed. The repABC gene sequences of these strains grouped them in a unique monophyletic group, related to B. sp. BTAi1 plasmid, but differentiated from the repABC gene cluster of plasmids in fast growing rhizobium strains. The last topic was focused on characterization of type III secreted effectors present in Lmj endosymbiotic bacteria. Type III secretion systems (T3SS) are specialized protein export machineries which can deliver effector proteins into plant cells. The presence of T3SS in rhizobia has frequently been related to the symbiotic nodulation host-range and may have a beneficial or detrimental effect on the symbiosis with legumes. In this context, the presence of T3SS in genomes of nine Lmj strains was investigated, and it was shown the presence of clusters encoding NopE type III-secreted protein similar to the NopE1 and NopE2 of B. diazoefficiens USDA 110T. The putative NopE protein of LmjC strain is at present being characterized regarding its structure and function

Caracterización de sistemas de secreción tipo VI en la simbiosis Rhizobium-Leguminosa

El análisis de los genomas de cepas de Bradyrhizobium sp. aisladas de Lupinus mariaejosephae, L. angustifolius y Retama sphaerocarpa, así como de cepas de Rhizobium aisladas de Mimosa affinis y Phaseolus vulgaris, ha permitido identificar la presencia de sistemas de secreción tipo VI de proteínas (T6SS). Los T6SS están implicados en la interacción planta-bacteria mediante el transporte de proteínas efectoras al citoplasma de células vegetales a través de una estructura similar a una nanojeringa de bacteriófago. El análisis se centra en las cepas Bradyrhizobium sp. ISLU101, aislada de L. angustifolius y Rhizobium etli Mim1 aislada de M. affinis, capaz de nodular judías. Mim1 e ISLU101 contienen uno y dos T6SS, respectivamente. Una característica distintiva de los T6SS activos es que las proteínas Hcp y VgrG, que forman parte de la nanojeringa, pueden secretarse al medio extracelular; así para determinar cuando son activos los T6SS identificados, se están realizando inmunoensayos

Análisis filogenético de bacterias endosimbióticas de Genista numidica

Los rizobios son bacterias del suelo capaces de formar unas estructuras especializadas en raíces de leguminosas donde reducen dinitrógeno. Algunas de estas leguminosas, como Genista numidica Spach, juegan un importante papel ecológico y económico por la fertilización y la remediación de suelos áridos, lo que ha impulsado el estudio y la caracterización de los rizobios específicos. En la presente investigación se analizan 53 cepas de rizobios aisladas de nódulos de raíces de G. numidica de la costa de Argelia. La diversidad genética de los aislados se llevó a cabo mediante la secuenciación del gen 16S rRNA y del espacio intergénico (ITS), región situada entre los genes 16S y 23S rRNA. Los endosimbiontes de G. numidica muestran una gran diversidad filogenética. Las secuencias de los aislados mostraron proximidad a ?-proteobacterias (Bradyrhizobium sp, Sphingobium sp) y ?-proteobacterias

Presencia de sistemas de secreción de patógenos en bacterias endosimbióticas aisladas de Lupinus de la península Ibérica

Los rizobios son bacterias endosimbióticas capaces de fijar nitrógeno en estructuras especializadas de leguminosas. Esta simbiosis es altamente específica y depende, entre otros factores, de la capacidad de los rizobios de secretar proteínas efectoras a las células vegetales. Se han descrito diferentes sistemas de secreción en patógenos animales y vegetales y posteriormente también se han encontrado en algunos rizobios. En este trabajo se presenta el estudio de varios sistemas de secreción identificados en dos cepas LmjC e ISLU101 aisladas de Lupinus marie-josephae y Lupinus angustifolius respectivamente. LmjC posee un sistema de secreción tipo III formado por agrupación de 33 genes cuya expresión dependería del activador transcripcional TtsI mediado a su vez por flavonoides secretados por la planta huésped. La cepa ISLU101 tiene dos sistemas de tipo VI de 19 y 16 genes cada uno. La importancia en la simbiosis de estos sistemas se está estudiando en estos momentos

Caracterización de bacterias endosimbióticas de Cytisus triflorus, una leguminosa útil para la restauración de suelos en el norte de África

La restauración de suelos degradados y pobres del norte de África puede producirse gracias al crecimiento espontáneo de leguminosas arbustivas como Cytisus triflorus L¿Herit. Parte del éxito de esta planta se debe a que es capaz de formar nódulos en sus raíces ocupados por bacterias denominadas rizobios que aportan dinitrógeno atmosférico fijado a la planta a cambio de fotosintatos. En este trabajo se presenta la caracterización de 37 rizobios aislados de C. triflorus en el norte de Argelia. Se indica morfología y color de las colonias, tiempo de generación, capacidad de nodulación con distintas plantas hospedadoras y tipos de nódulos que forman

Análisis comparativo de bradyrhizobia aislados de Lupinus angustifolius y Lupinus mariae-josephi.

Los altramuces (Lupinus sp.) son leguminosas con alto contenido proteico y alto valor en alimentación animal. Todas las especies de Lupinus que crecen en la Península Ibérica, incluida L. angustifolius, requieren suelos ácidos, excepto L- mariae-josephi, una especie recientemente descrita, que excepcíonalmente crece en suelos alcalinos. Se han analizado las relaciones filogenéticas entre bacterias endosimbióticas (rizobios) de L. mariae-josephi y de L. angustifolius y su posición evolutiva respecto a rizobios aislados de otras especies de Lupinus y de otras leguminosas. Con este fin se comparó la secuencia aminoacídica de proteínas esenciales ("housekeeping"), RecA, AtpD, Glnl l, y de la proteína simbiótica NodC, así como también la secuencia nucleotídica intergénica 16S-23S (ITS). La caracterización simbiótica de L. angustifolius y L. mariae-josephi implicó la realización de ensayos de inoculación cruzada, empleando plantas cuyos endosimbiontes están filogenéticamente próximos. Además, se estudió por microscopía de fluorescencia la distribución de bacteroides en los nodulos, utilizando rizobios que expresan GFP. Se espera identificar factores de la simbiosis con rizobios que capacitan a L .mariae-josephi para crecer en suelos básicos

Endangered Lupinus mariae-josephae species: conservation efforts

A lupin endemism, Lupinus mariae-josephae (Lmj), singularly has been identified in the Valencia province, in Eastern Spain. This lupin thrives in alkaline-limed soils with high pH, a unique habitat for lupins, from a small area in Valencia region. In these soils, Lmj grows in just a few small, defined patches, and previous conservation efforts directed towards controlled plant reproduction have been unsuccessful. This lupin was thought to be extinct in Valencia until 2007, when it was discovered in a limestone patch. The reasons behind Lmj endangered status are presently unknown. This study will focus on the symbiosis between Lmj and rhizobia, and how this relationship might impact the population size of Lmj. We have previously shown that Lmj plants establish a specific root nodule symbiosis with bradyrhizobia present in those soils, and we reasoned that the paucity of these bacteria in soils might contribute to the lack of success in reproducing plants for conservation purposes

Symbiosis of the endangered Lupinus mariae-josephae lupin especies: Successful "in situ" propagation with rhizobial inoculation

Region, in Eastern Spain. This lupine thrives in alkaline soils with high pH, a unique habitat for lupines. In these soils, Lmj grows in just a few defined patches, and previous conservation efforts directed towards controlled plant reproduction have been unsuccessful. A legislative decree (70/2009, page 20156 Anex I) published in the el 'Diario Oficial de la Comunitat Valenciana' shows Lmj in a category corresponding, in the latest version of the Red List of IUCN (IUCN, 2012) (International Union for Conservation of Nature and Nature Resources), to an ?Endangered? legume species not extinct in the wild. Most current IUCN criteria used to define rare, small-range legume species, are based on history of reproductive traits such as number of pods and seeds. We have previously shown that Lmj plants establish a specific root nodule symbiosis with bradyrhizobia present in those soils, and we reasoned that the paucity of these bacteria in soils might contribute to the lack of success in reproducing plants for conservation purposes. Greenhouse experiments using Lmj trap-plants showed an absence, or very low concentration, of Lmj-nodulating bacteria in ?terra rossa? soils of Valencia outside of Lmj plant patches. No Lmj endosymbiotic bacteria were found in ?terra rossa? or alkaline red soils outside the Valencia Lmj endemism region in the Iberian Peninsula or Balearic Islands. Among the rhizobia able to establish an efficient symbiosis with L. mariae-josephae plants, two Bradyrhizobium sp. strains, LmjC and LmjM3, were selected as inocula for seed coating. Two planting experiments were carried out in consecutive years under natural conditions in areas with edapho-climatic characteristics identical to those sustaining natural Lmj populations, and successful reproduction of the plant was achieved. Interestingly, the successful reproductive cycle was absolutely dependent on seedling inoculation with effective bradyrhizobia, and optimal performance was observed in plants inoculated with LmjC, a strain that had previously shown the most efficient behavior under controlled conditions. These results define conditions for L. mariae-josephae conservation and for extension to alkaline-limed soil habitats, where no other known lupine can thrive. Broadly speaking, the work singularly identified the rhizobial symbiosis as a factor affecting the conservation of legumes and often being exceedingly vulnerable to threats. Our results also indicate that seed inoculation with N2-fixing, efficient Rhizobium strains is a strategy to consider in the conservation of endangered legume specie

Bradyrhizobium sp. lmjc necesita un sistema de secreción tipo III para nodular eficientemente al altramuz valenciano (Lupinus Mariae-Josephae).

La mayoría de las leguminosas establecen una simbiosis con bacterias denominadas rizobios que fijan dinitrógeno en estructuras especializadas llamadas nódulos a cambio de fotosintatos. Existen varios elementos que hacen esta interacción específica y efectiva, entre ellos se encuentra la presencia, en algunos rizobios, de estructuras tubulares que introducen proteínas de la bacteria (efectores) en el citoplasma de células vegetales. En nuestro estudio de la interacción de la bacteria designada como Bradyrhizobium sp. LmjC con el altramuz valenciano L. mariae-josephae Pascual, hemos demostrado que existe uno de esos sistemas de secreción de tipo III y que éste es esencial para una simbiosis eficiente. Además hemos iniciado la caracterización de un posible efector denominado NopE y por último estamos estudiando otros rasgos fenotípicos de dicha bacteria como su resistencia a antibióticos, su crecimiento con distintas fuentes de carbono, su tiempo de generación y otras pruebas bioquímicas como la actividad ureasa

Análisis de la adaptación de la fase endosimbiótica de Rhizobium leguminosarum bv. viciae a diferentes hospedadores

Los rizobios son alfa-proteobacterias capaces de infectar las raíces de las leguminosas e inducir en las mismas la formación de un nuevo órgano, el nódulo radicular. En dicho nódulo las células bacterianas, diferenciadas en bacteroides especializados en la fijación de nitrógeno, están rodeadas de una membrana peribacteroidal a través de cual la planta controla el intercambio de nutrientes hacia y desde el bacteroide. La adaptación de las bacterias al estilo de vida simbiótico es el resultado de un proceso de co-evolución entre ambos socios en el que se produce el intercambio de fuentes carbonadas y nitrógeno fijado en forma de amonio. En el proceso de establecimiento de la simbiosis se han descrito compuestos de diversa naturaleza química (flavonoides, lipoquitooligosacáridos, EPS) que median un reconocimiento específico entre el rizobio y la leguminosa.1 Sin embargo, el intercambio de señales no termina con la formación del nódulo. El funcionamiento de la simbiosis Rhizobium-leguminosa supone el ajuste metabólico de ambos componentes simbióticos en proceso cuyos detalles aún se desconocen. Uno de los objetivos de nuestro laboratorio se centra en el estudio de la adaptación de Rhizobium a la simbiosis analizando cómo la bacteria responde al ambiente nodular proporcionado por la planta. Recientemente se ha descrito que en el caso de las leguminosas que inducen nódulos indeterminados (con actividad meristemática persistente) como Medicago, Pisum, o Vicia, la planta envía al bacteroide una batería de múltiples péptidos denominados NCR (Nodule-specific Cystein-Rich). de los que no se conoce la función concreta, aunque se ha demostrado que algunos de ellos son capaces de inducir modificaciones en células en cultivo similares a las descritas en bacteroides (inhibición de la división celular, endorreduplicación y alteraciones en la permeabilidd de la membrana).2 La hipótesis actual es que la acción combinada de los NCR controla parcial o totalmente la fisiología de la bacteria induciendo su diferenciación en bacteroide y convirtiéndole en algo similar a un ?esclavo metabólico? cuya función esencial es la fijación de nitrógeno para su aporte a la planta, interfiriendo con múltiples procesos fisiológicos. En el caso de rizobios capaces de establecer simbiosis con distintas leguminosas, como es el caso de Rhizobium leguminosarum bv viciae con Pisum, Lens, Vicia y Lathyrus, es de esperar que los bacteroides inducidos en cada planta encuentren un hábitat intracelular distinto si cada planta aporta un complemento de péptidos diferente. En esas condiciones el estudio de la respuesta de la bacteria a cada uno de esos hábitats podría aportar información relevante sobre los caracteres que permiten la adaptación de Rhizobium al estilo de vida intracelular en los nódulos de las leguminosas. En este trabajo se trata de evaluar la importancia de caracteres de adaptación al hospedador en la asociación simbiótica entre Rhizobium leguminosarum bv viciae (Rlv) y plantas leguminosas. Para ello se ha realizado la comparación de los perfiles proteómicos de células endosimbióticas de Rlv UPM791 inducidas en nódulos de lenteja (Lens culinaris) y guisante (Pisum sativum). Dichos perfiles se obtuvieron mediante análisis LC-MS de extractos de bacteroides, complementado con marcaje diferencial empleando la metodología iTRAQ. Este análisis ha revelado la existencia de diferencias en la expresión de un número significativo de proteínas codificadas en distintas partes del genoma bacteriano. Entre estas proteínas se han identificado proteínas de respuesta a estrés, un regulador transcripcional de tipo GntR, y otras proteínas que podrían tener un papel en el metabolismo de C/N en el bacteroide. Estos datos sugieren que las bacterias encuentran ambientes distintos en distintos hospedadores induciendo respuestas de adaptación diferenciales. Dos de las proteínas identificadas, denominadas DABA y AMYDO, se encuentran codificadas en el plásmido simbiótico de la bacteri