Nitrogen is an essential nutrient for plants. Biological and industrial nitrogen fixation are the major sources of soil nitrogen. This study focuses on rhizobia that are the bacterial partners in the biologically nitrogen fixing symbiosis between leguminous plants and bacteria. In symbiosis, the plant and the rhizobia form a specified organ called nodule. In the nodule rhizobia differentiate into nitrogen fixing forms.
Phenolic molecules secreted by the plant roots induce the rhizobia to produce lipochitooligosaccharide signalling molecules (LCOs). LCOs have an amino sugar backbone consisting of N-acetylglucosamine residues (GlcNAc), an acyl group on the non-reducing terminal GlcNAc residue and commonly other side-groups.
When growing legumes in the field, inoculating the plants with compatible rhizobia usually results in better growth. The soil may not contain rhizobial strains that nodulate selective legumes. The promiscuous legumes are easily nodulated, yet most of the nodulating strains may be ineffective in nitrogen fixation. Environmental conditions, e.g. soil salinity, affect nodulation.
The general aim of this study was to gain knowledge on the features of potential inoculant rhizobia strains. The specific aims were to assess host specific characteristics and the effect of salt stress on rhizobial signalling molecules, LCOs; to find potential inoculant strains for a promiscuous legume tree; and to characterize potential inoculant strains isolated from promiscuous legume trees and forage legumes to assess genetic features behind the characteristics of the strains.
To reach the aims, LCOs of rhizobia nodulating Prosopis chilensis and Acacia senegal were analyzed using mass spectrometry; rhizobial strains were isolated from Leucaena leucocephala growing in China, and characterized with phenotypic and genotypic methods; and the genetic features behind the desirable characteristics of S. arboris and wild-type S. meliloti strains were analyzed by comparative genomic hybridization (CGH) using a model rhizobium S. meliloti Rm1021 microarray.
The LCOs from prosopis- and acacia-nodulating strains were similar to those of other Acacia-nodulating rhizobia. The L. leucocephala nodulating Ensifer strains, representing at least three species, shared a common nodC, implying that their LCOs might be similar. Similarly, no divergence was detected between the S. meliloti model strain and the S. meliloti wild type strains nodulation genes. Even though rhizobia having a shared host range produced similar LCOs and carried similar nod genes, comparison of major LCOs between rhizobia with different host ranges suggested that LCOs have only a limited role in host specificity.
L. leucocephala hosted eleven rhizobial strains that were efficient in nitrogen fixation making them good candidates as inoculants. Ten isolates had a growth slowing effect on the host. The variation in effectiveness between the isolates implied that the ability to compete with other strains is an important characteristic for the inoculant of a promiscuous host; the inoculant is of no use if nodules are mainly occupied by less efficient strains. The species distribution was different from those isolated from L. leucocephala in other locations, suggesting that strains adapted to local soil conditions would be preferred when choosing inoculants. The genotypic and phenotypic characteristics of Leucaena isolates did not distinguish the efficient from the inefficient and parasitic isolates. The results of the CGH analysis suggested that the osmotic shock response of the S. arboris and wild-type S. meliloti strains is considerably different to that of S. meliloti Rm1021, and that the stress tolerance of S. arboris strain might be partially due to a more efficient protein biosynthesis. The genes related to the induction of LCO synthesis and LCO secretion were duplicated in wild-type S. meliloti strains, which is possibly connected to the efficient nodulation capabilities of the strains. The LCO production of a salt-stressed S. arboris HAMBI 2361 was approximately one tenth of that of the non-stressed one, partially explaining the decrease in nodulation under salt stress. The Leucaena isolates were phenotypically diverse, and the S. arboris and wild-type S. meliloti strains diverged from the model rhizobium S. meliloti Rm1021 mainly in the accessory genome implying that the divergence was important in shaping the adaptability of the strains. However, it is impossible to conclude if the diversity and divergence gave the strains any competitive advantage.Kasvit eivät kasva ilman typpeä. Maaperän typen tärkeimmät lähteet ovat teollinen ja biologinen typensidonta. Tässä työssä tutkittiin biologiseen typensidontaan kykeneviä ritsobi-bakteereja. Palkokasvi-ritsobisymbioosissa kasvin juureen muodostuu nystyrä, jonka sisällä ritsobit erilaistuvat typpeä sitoviksi bakteroideiksi.
Symbioosissa kasvi ja ritsobi käyvät kemiallista keskustelua tuottamiensa molekyylien välityksellä. Kasvin juuren erittämät fenoliset yhdisteet saavat ritsobin tuottamaan viestimolekyylejä, jotka koostuvat N-asetyyliglukosamiini-ketjusta ja siihen liittyneestä rasvahapporyhmästä. Lisäksi viestimolekyylissä voi olla muita sivuryhmiä.
Jotkin kasvit ovat erittäin valikoivia ja kelpuuttavat kumppaneikseen vain harvoja ritsobikantoja. Toiset kasvit valikoivat vain vähän ja tekevät nystyröitä lähes kaikkien ritsobien kanssa, mutta nystyrät ovat usein tehottomia typen sidonnassa. Siksi palkokasvit kasvavat monesti paremmin mikäli ne siirrostetaan sopivalla ritsobikannalla. Epäedulliset kasvuolosuhteet, kuten esimerkiksi maan suolaantuminen, häiritsee nystyröintiä.
Tämän työn tarkoituksena oli saada uutta tietoa siirrostamiseen sopivien ritsobikantojen ominaisuuksista. Tarkempina tavoitteina oli tutkia ritsobin viestimolekyylien rakenteiden vaikutusta isäntäspesifisyyteen ja suolastressin vaikutusta viestimolekyylien tuottoon, löytää sopiva ritsobi vähän valikoivalle palkokasvipuulle, ja selvittää siirrostamiseen sopivien ritsobikantojen ominaisuuksien taustalla olevia geneettisiä piirteitä.
Työssä määritettiin kahden trooppisia palkokasvipuita (Prosopis chilensis ja Acacia senegal) nystyröivän ritsobikannan viestimolekyylien rakenteet massaspektrometrisesti. Suolastressin vaikutus viestimolekyylien tuottoon selvitettiin analysoimalla typen pysyvillä isotoopeilla leimattuja viestimolekyylejä. Trooppisesta Leucaena leucocephala palkokasvipuusta eristettiin ritsobikantoja, joita tutkittiin fenotyyppisin ja genotyyppisin menetelmin. Siirrostamiseen sopivien S. arboris ja S. meliloti -ritsobikantojen geenejä analysoitiin vertailevalla genomihybridisaatiolla (CGH), jossa vertailukantojen genomi hybridisoitiin malliritsobin S. meliloti Rm1021 DNA-mikrosiruun.
Prosopis- ja akaasia-puita nystyröivien ritsobien viestimolekyylit olivat samanlaisia kuin muilla akaasioita nystyröivillä ritsobeilla. L. leucocephala-puun nystyröistä eristetyistä ritsobeista suurin osa kuului Ensifer (Sinorhizobium)-bakteerisukuun. Ensifer-kantojen viestimolekyylien tuottoon liittyvä nodC-geeni oli kaikilla kannoilla samanlainen, joten niiden tuottamat viestimolekyylit saattavat myös olla samanlaisia. Siirrostamiseen sopivien S. meliloti-ritsobikantojen nystyröintiin liittyvät geenit olivat samanlaisia kuin malliritsobilla. Vaikka saman kasvi-isäntää nystyröivien kantojen viestimolekyylit ja nystyröintigeenit olivat samanlaisia, viestimolekyylien vertailu eri kasveja nystyröivien kantojen välillä antoi aiheen olettaa että viestimolekyyleillä on vain pieni vaikutus isäntäspesifisyyteen.
L. leucocephala-puun nystyröistä eristetyistä ritsobikannoista yksitoista sitoi tehokkaasti typpeä. Kymmenen kantaa hidasti taimien kasvua. Koska kantojen välillä oli suuria eroja typen sidonnan tehokkuudessa, siirrostamiseen sopivan kannan pitää olla myös kilpailukykyinen; kannasta ei ole hyötyä, mikäli tehottomasti typpeä sitovat kannat syrjäyttävät sen. Ritsobikantojen lajikirjo poikkesi muualla tutkituista. Siirrostamiseen sopivien kantojen valinnassa täytyy painottaa myös kantojen sopivuutta viljelypaikan olosuhteisiin.
L. leucocephala-puusta eristettyjen ritsobikantojen feno- ja genotyyppiset ominaisuudet eivät erottaneet tehokkaasti typpeä sitovia kantoja tehottomista. CGH-analyysin tulosten perusteella S. arboris- ja villityypin S. meliloti-kantojen vaste osmoottiseen shokkiin poikkeaa malliritsobin vasteesta. S. arboris -kannan stressinsieto saattaa osin johtua tehokkaasta proteiinisynteesistä. Osa villityypin S. meliloti-kantojen viestimolekyylien tuoton indusointiin ja molekyylien erittämiseen liittyvistä geeneistä oli monistunut, mikä saattaa liittyä kantojen tehokkaaseen nystyröintiin. Suolastressi vähensi S. arboris -kannan viestimolekyylien tuottoa kymmenekseen vertailuolosuhteesta, mikä osittain selittää suolastressin aiheuttaman nystyröinnin vähenemisen. L. leucocephala-puun ritsobikannat olivat fenotyyppisesti monimuotoisia. S. arboris- ja villityypin S. meliloti-kannat poikkesivat malliritsobista eniten ympäristöön sopeutumiseen liittyvien geenien osalta. On kuitenkin mahdotonta päätellä antavatko edellä mainittu monimuotoisuus ja eroavaisuus mainituille kannoille siirrostamiseen liittyviä, toivottuja ominaisuuksia
