Rizóbios são bactérias aeróbias, Gram-negativas, que fixam nitrogênio atmosférico quando associadas a leguminosas. O gênero Bradyrhizobium é de grande importância na agricultura, pois essas bactérias fixam nitrogênio em simbiose com soja [Glycine max (L.) Merrill]. A caracterização dos rizóbios é fundamental para estudos relacionados à diversidade e à distribuição ecológica desses microrganismos. Três estudos foram conduzidos nesse trabalho: i) uma estratégia baseada em amplificação por PCR para diferenciar Bradyrhizobium japonicum de B. elkanii, utilizando-se seqüências 16S rDNA; ii) a caracterização da variabilidade genética de uma população de bradirrizóbios isolada de um campo experimental, trinta anos após a inoculação de estirpes padrão; iii) a avaliação da variabilidade genética de bradirrizóbios isolados de cinco regiões produtoras de soja no Estado do Rio Grande do Sul (RS) e dos possíveis fatores ambientais que poderiam ser os responsáveis por tal diversidade. Técnicas de biologia molecular foram utilizadas na identificação, ocorrência, distribuição e estudo populacional dos rizóbios, especialmente a amplificação do gene 16S rRNA por PCR, rep-PCR e AFLP.Essas duas últimas técnicas quando combinadas permitiram uma análise mais precisa da variabilidade genética das populações estudadas. O índice de diversidade de Shannon foi utilizado para comparar o grau de diversidade observado nas diferentes populações. Também foi observada uma correlação direta entre o grau de diversidade e o pH do solo. Os resultados obtidos permitiram concluir que as populações de bradirrizóbios que nodulam as lavouras de soja do RS são altamente variáveis, podem persistir nos solos, mesmo na ausência da planta hospedeira, e sofrem influência de fatores bióticos e abióticos. / Rhizobia are Gram-negative aerobic bacteria that fix atmospheric nitrogen in symbiosis with leguminous plants. Bacteria belonging to the Bradyrhizobium genus are very important because they are able to nodulate and fix nitrogen in symbiosis with soybean [Glycine max (L.) Merrill]. Characterization of rhizobia is fundamental in studies concerning the diversity and ecological distribution of these microorganisms. Three studies have been conducted in this work: i) a strategy based on amplification by PCR to differentiate Bradyrhizobium japonicum and B. elkanii using 16S rDNA sequences; ii) the genetic variability assessment of a bradyrhizobial population isolated from an experimental field thirty years after the inoculation with reference strains; iii) the genetic variability characterization of bradyrhizobia isolated from five soybean fields in different regions in Rio Grande do Sul (RS) State and the environmental factors that can influence such diversity. Molecular biology techniques were used for the identification, occurrence, distribution, and studies of rhizobia population, specially the 16S rRNA gene amplification by PCR, rep-PCR and AFLP. When combined, these last two techniques provided an accurate analysis of the genetic diversity of the analyzed populations. Shannon diversity index was used to compare the diversity among different populations.A direct correlation was observed between diversity degree and soil pH. The results obtained have shown that bradyrhizobia nodulating soybean in RS are highly variable and were able to persist in soil even when the host legume was lacking. Besides they have shown to be influenced by abiotic and biotic parameters.

Embora o ferro seja um dos elementos mais abundantes na crosta terrestre, somente uma pequena fração está disponível para ser utilizada pelos organismos vivos. A solubilidade do ferro em solos com pH neutro é muito baixa, aproximadamente 10-18 M. Em condições de baixa disponibilidade de ferro, diversos microrganismos podem produzir e excretar sideróforos, quelantes orgânicos de baixo peso molecular envolvidos na solubilização e seqüestro de Fe3+. A captação de ferro é fator limitante para a fixação biológica do nitrogênio, uma vez que esse elemento está diretamente envolvido em moléculas como a nitrogenase, leg-hemoglobina, ferredoxina e citocromos. Enquanto microrganismos de vida-livre, os rizóbios devem ser capazes de solubilizar ferro e competir por ele no solo. As bactérias pertencentes ao gênero Bradyrhizobium são de grande relevância agronômica devido à capacidade de fixar nitrogênio em simbiose com diversas leguminosas, especialmente a soja [Glycine max (L.) Merrill]. B. japonicum and B. elkanii são duas espécies capazes de nodular soja e quatro estirpes são comumente utilizadas como inoculantes no Brasil: B. elkanii SEMIA 587 e SEMIA 5019 e B. japonicum SEMIA 5079 e SEMIA 5080. Os genes fegA e fhuA, relacionados à síntese de proteínas de membrana transportadoras do complexo Fe3+ - sideróforo já foram identificados em B. japonicum 61A152 e Rhizobium leguminosarum, respectivamente. Ao contrário de B. japonicum, nada se conhece sobre esses genes na espécie B. elkanii. No presente trabalho foram analisadas a habilidade em produzir sideróforos e a presença de genes relacionados à síntese de proteínas receptoras do complexo Fe3+ - sideróforo entre diferentes estirpes de Bradyrhizobium. Uma porção do gene fhuA de B. elkanii foi isolada e apresentou um elevado grau de conservação com outros genes relacionados à captação de sideróforos em diferentes bactérias. Experimentos de Southern-blot demonstraram que existe apenas uma cópia do gene fhuA, e nenhuma do gene fegA, no genoma da estirpe SEMIA 587 de B. elkanii. Através do tradicional método CAS, a capacidade de produzir e captar sideróforos in vitro foi confirmada entre as estirpes de B. elkanii utilizadas como inoculantes comerciais no Brasil. As linhagens de B. japonicum, entretanto, mesmo possuindo receptores de membrana específicos para sideróforos, não são capazes de se multiplicar em meio de cultura deficiente em ferro. Tais resultados indicam a possibilidade de diferenças significativas quanto ao sistema de captação de ferro entre tais estirpes. Estudos que confirmem a função do gene fhuA estão sendo conduzidos para verificação da viabilidade fenotípica de B. elkanii mutante para esse gene. / Although iron is one of the most abundant elements in Earth, only one small fraction is available to be used by living organisms. The solubility of iron in soils with neutral pH is very low, approximately 10-18 M. During iron deficiency, many microorganisms can produce and excrete low molecular weight organic chelators termed siderophores involved in the solubilization and sequestration of Fe3+. The iron uptake is a limiting factor for the biological nitrogen fixation as iron is directly involved in many molecules that are essential to this process, like nitrogenase, leg-hemoglobin, ferredoxin and cytochrome. While free-living microorganism, rhizobia should be able to solubilize iron and compete for it in soil. Bacteria belonging to the genus Bradyrhizobium are of enormous agricultural value since they are able to fix atmospheric nitrogen in symbiosis with several leguminous plants, especially soybean [Glycine max (L.) Merrill]. B. japonicum and B. elkanii strains are two species capable of nodulate soybean, in which four strains are commonly used as inoculant in Brazil: B. elkanii SEMIA 587 and SEMIA 5019 and B. japonicum SEMIA 5079 and SEMIA 5080. In B. japonicum 61A152 and Rhizobium leguminosarum fegA and fhuA genes, which are involved in the synthesis of membrane Fe3+-siderophore uptake proteins were already identified, respectively. In the opposite, almost nothing is known about these genes in B. elkanii species. In this work the siderophore production ability and the presence of genes related to the membrane Fe3+- siderophore uptake were analyzed in several Bradyrhizobium strains. A B. elkanii fhuA DNA region was isolated and it presented a high level of homology with others siderophore uptake related genes from different bacterial species. Southern blot experiments shown that there is a single fhuA gene copy in the B. elkanii SEMIA 587 genome, and no fegA gene was identified in this genome. Through the traditional CAS methodology, the siderophore production and uptake in vitro activities were demonstrated in the B. elkanii strains used as inoculant in Brazil. B. japonicum strains, however, although having siderophores specific membrane receptors, were not able to growth in a medium lacking iron. Such results indicated that significant differences concerning iron uptake system might exist between these two bacterial species. Studies to confirm fhuA gene function are under way aiming to verify the phenotypic viability of B. elkanii fhuA mutants.

Rizóbios são bactérias aeróbias, Gram-negativas, que fixam nitrogênio atmosférico quando associadas a leguminosas. O gênero Bradyrhizobium é de grande importância na agricultura, pois essas bactérias fixam nitrogênio em simbiose com soja [Glycine max (L.) Merrill]. A caracterização dos rizóbios é fundamental para estudos relacionados à diversidade e à distribuição ecológica desses microrganismos. Três estudos foram conduzidos nesse trabalho: i) uma estratégia baseada em amplificação por PCR para diferenciar Bradyrhizobium japonicum de B. elkanii, utilizando-se seqüências 16S rDNA; ii) a caracterização da variabilidade genética de uma população de bradirrizóbios isolada de um campo experimental, trinta anos após a inoculação de estirpes padrão; iii) a avaliação da variabilidade genética de bradirrizóbios isolados de cinco regiões produtoras de soja no Estado do Rio Grande do Sul (RS) e dos possíveis fatores ambientais que poderiam ser os responsáveis por tal diversidade. Técnicas de biologia molecular foram utilizadas na identificação, ocorrência, distribuição e estudo populacional dos rizóbios, especialmente a amplificação do gene 16S rRNA por PCR, rep-PCR e AFLP.Essas duas últimas técnicas quando combinadas permitiram uma análise mais precisa da variabilidade genética das populações estudadas. O índice de diversidade de Shannon foi utilizado para comparar o grau de diversidade observado nas diferentes populações. Também foi observada uma correlação direta entre o grau de diversidade e o pH do solo. Os resultados obtidos permitiram concluir que as populações de bradirrizóbios que nodulam as lavouras de soja do RS são altamente variáveis, podem persistir nos solos, mesmo na ausência da planta hospedeira, e sofrem influência de fatores bióticos e abióticos. / Rhizobia are Gram-negative aerobic bacteria that fix atmospheric nitrogen in symbiosis with leguminous plants. Bacteria belonging to the Bradyrhizobium genus are very important because they are able to nodulate and fix nitrogen in symbiosis with soybean [Glycine max (L.) Merrill]. Characterization of rhizobia is fundamental in studies concerning the diversity and ecological distribution of these microorganisms. Three studies have been conducted in this work: i) a strategy based on amplification by PCR to differentiate Bradyrhizobium japonicum and B. elkanii using 16S rDNA sequences; ii) the genetic variability assessment of a bradyrhizobial population isolated from an experimental field thirty years after the inoculation with reference strains; iii) the genetic variability characterization of bradyrhizobia isolated from five soybean fields in different regions in Rio Grande do Sul (RS) State and the environmental factors that can influence such diversity. Molecular biology techniques were used for the identification, occurrence, distribution, and studies of rhizobia population, specially the 16S rRNA gene amplification by PCR, rep-PCR and AFLP. When combined, these last two techniques provided an accurate analysis of the genetic diversity of the analyzed populations. Shannon diversity index was used to compare the diversity among different populations.A direct correlation was observed between diversity degree and soil pH. The results obtained have shown that bradyrhizobia nodulating soybean in RS are highly variable and were able to persist in soil even when the host legume was lacking. Besides they have shown to be influenced by abiotic and biotic parameters.

Embora o ferro seja um dos elementos mais abundantes na crosta terrestre, somente uma pequena fração está disponível para ser utilizada pelos organismos vivos. A solubilidade do ferro em solos com pH neutro é muito baixa, aproximadamente 10-18 M. Em condições de baixa disponibilidade de ferro, diversos microrganismos podem produzir e excretar sideróforos, quelantes orgânicos de baixo peso molecular envolvidos na solubilização e seqüestro de Fe3+. A captação de ferro é fator limitante para a fixação biológica do nitrogênio, uma vez que esse elemento está diretamente envolvido em moléculas como a nitrogenase, leg-hemoglobina, ferredoxina e citocromos. Enquanto microrganismos de vida-livre, os rizóbios devem ser capazes de solubilizar ferro e competir por ele no solo. As bactérias pertencentes ao gênero Bradyrhizobium são de grande relevância agronômica devido à capacidade de fixar nitrogênio em simbiose com diversas leguminosas, especialmente a soja [Glycine max (L.) Merrill]. B. japonicum and B. elkanii são duas espécies capazes de nodular soja e quatro estirpes são comumente utilizadas como inoculantes no Brasil: B. elkanii SEMIA 587 e SEMIA 5019 e B. japonicum SEMIA 5079 e SEMIA 5080. Os genes fegA e fhuA, relacionados à síntese de proteínas de membrana transportadoras do complexo Fe3+ - sideróforo já foram identificados em B. japonicum 61A152 e Rhizobium leguminosarum, respectivamente. Ao contrário de B. japonicum, nada se conhece sobre esses genes na espécie B. elkanii. No presente trabalho foram analisadas a habilidade em produzir sideróforos e a presença de genes relacionados à síntese de proteínas receptoras do complexo Fe3+ - sideróforo entre diferentes estirpes de Bradyrhizobium. Uma porção do gene fhuA de B. elkanii foi isolada e apresentou um elevado grau de conservação com outros genes relacionados à captação de sideróforos em diferentes bactérias. Experimentos de Southern-blot demonstraram que existe apenas uma cópia do gene fhuA, e nenhuma do gene fegA, no genoma da estirpe SEMIA 587 de B. elkanii. Através do tradicional método CAS, a capacidade de produzir e captar sideróforos in vitro foi confirmada entre as estirpes de B. elkanii utilizadas como inoculantes comerciais no Brasil. As linhagens de B. japonicum, entretanto, mesmo possuindo receptores de membrana específicos para sideróforos, não são capazes de se multiplicar em meio de cultura deficiente em ferro. Tais resultados indicam a possibilidade de diferenças significativas quanto ao sistema de captação de ferro entre tais estirpes. Estudos que confirmem a função do gene fhuA estão sendo conduzidos para verificação da viabilidade fenotípica de B. elkanii mutante para esse gene. / Although iron is one of the most abundant elements in Earth, only one small fraction is available to be used by living organisms. The solubility of iron in soils with neutral pH is very low, approximately 10-18 M. During iron deficiency, many microorganisms can produce and excrete low molecular weight organic chelators termed siderophores involved in the solubilization and sequestration of Fe3+. The iron uptake is a limiting factor for the biological nitrogen fixation as iron is directly involved in many molecules that are essential to this process, like nitrogenase, leg-hemoglobin, ferredoxin and cytochrome. While free-living microorganism, rhizobia should be able to solubilize iron and compete for it in soil. Bacteria belonging to the genus Bradyrhizobium are of enormous agricultural value since they are able to fix atmospheric nitrogen in symbiosis with several leguminous plants, especially soybean [Glycine max (L.) Merrill]. B. japonicum and B. elkanii strains are two species capable of nodulate soybean, in which four strains are commonly used as inoculant in Brazil: B. elkanii SEMIA 587 and SEMIA 5019 and B. japonicum SEMIA 5079 and SEMIA 5080. In B. japonicum 61A152 and Rhizobium leguminosarum fegA and fhuA genes, which are involved in the synthesis of membrane Fe3+-siderophore uptake proteins were already identified, respectively. In the opposite, almost nothing is known about these genes in B. elkanii species. In this work the siderophore production ability and the presence of genes related to the membrane Fe3+- siderophore uptake were analyzed in several Bradyrhizobium strains. A B. elkanii fhuA DNA region was isolated and it presented a high level of homology with others siderophore uptake related genes from different bacterial species. Southern blot experiments shown that there is a single fhuA gene copy in the B. elkanii SEMIA 587 genome, and no fegA gene was identified in this genome. Through the traditional CAS methodology, the siderophore production and uptake in vitro activities were demonstrated in the B. elkanii strains used as inoculant in Brazil. B. japonicum strains, however, although having siderophores specific membrane receptors, were not able to growth in a medium lacking iron. Such results indicated that significant differences concerning iron uptake system might exist between these two bacterial species. Studies to confirm fhuA gene function are under way aiming to verify the phenotypic viability of B. elkanii fhuA mutants.

Verificou-se a influência da temperatura e da agitação ótima para o desenvolvimento da estirpe SEMIA 587 de Bradyrhizobium japonicum em fermentador de bancada. A variação da temperatura, nos estudos cinéticos, influenciou de forma mais marcante o desenvolvimento microbiano do que a variação da agitação. Os melhores resultados a nível de rendimento foram obtidos utilizando-se uma temperatura de 28ºC e uma agitação de 230 rpm. Fez-se também um estudo da competição entre as estirpes SEMIA 587 e SEMIA 5019 em fermentador, inoculante turfoso e por sítio de nodulação. A estirpe SEMIA 587, quando desenvolvida conjuntamente com a SEMIA 5019, atingiu aproximadamente 70% da população total após 120 horas de processo. Esta mistura mais as elaboradas com 30, 50 e 70% da estirpe SEMIA 587, foram utilizadas como tratamentos para a inoculação em soja e também para a impregnação em turfa esterilizada. Nestes experimentos observou-se uma predominância da estirpe SEMIA 587, em relação à SEMIA 5019, em fixar nitrogênio e competir por sítios de nodulação e também no inoculante. Os resultados confirmam a possibilidade de utilização dos cultivos mistos, desde que sejam encontradas condições operacionais para o desenvolvimento ótimo das duas estirpes.

Verificou-se a influência da temperatura e da agitação ótima para o desenvolvimento da estirpe SEMIA 587 de Bradyrhizobium japonicum em fermentador de bancada. A variação da temperatura, nos estudos cinéticos, influenciou de forma mais marcante o desenvolvimento microbiano do que a variação da agitação. Os melhores resultados a nível de rendimento foram obtidos utilizando-se uma temperatura de 28ºC e uma agitação de 230 rpm. Fez-se também um estudo da competição entre as estirpes SEMIA 587 e SEMIA 5019 em fermentador, inoculante turfoso e por sítio de nodulação. A estirpe SEMIA 587, quando desenvolvida conjuntamente com a SEMIA 5019, atingiu aproximadamente 70% da população total após 120 horas de processo. Esta mistura mais as elaboradas com 30, 50 e 70% da estirpe SEMIA 587, foram utilizadas como tratamentos para a inoculação em soja e também para a impregnação em turfa esterilizada. Nestes experimentos observou-se uma predominância da estirpe SEMIA 587, em relação à SEMIA 5019, em fixar nitrogênio e competir por sítios de nodulação e também no inoculante. Os resultados confirmam a possibilidade de utilização dos cultivos mistos, desde que sejam encontradas condições operacionais para o desenvolvimento ótimo das duas estirpes.

Rizóbios são bactérias aeróbias, Gram-negativas, que fixam nitrogênio atmosférico quando associadas a leguminosas. O gênero Bradyrhizobium é de grande importância na agricultura, pois essas bactérias fixam nitrogênio em simbiose com soja [Glycine max (L.) Merrill]. A caracterização dos rizóbios é fundamental para estudos relacionados à diversidade e à distribuição ecológica desses microrganismos. Três estudos foram conduzidos nesse trabalho: i) uma estratégia baseada em amplificação por PCR para diferenciar Bradyrhizobium japonicum de B. elkanii, utilizando-se seqüências 16S rDNA; ii) a caracterização da variabilidade genética de uma população de bradirrizóbios isolada de um campo experimental, trinta anos após a inoculação de estirpes padrão; iii) a avaliação da variabilidade genética de bradirrizóbios isolados de cinco regiões produtoras de soja no Estado do Rio Grande do Sul (RS) e dos possíveis fatores ambientais que poderiam ser os responsáveis por tal diversidade. Técnicas de biologia molecular foram utilizadas na identificação, ocorrência, distribuição e estudo populacional dos rizóbios, especialmente a amplificação do gene 16S rRNA por PCR, rep-PCR e AFLP.Essas duas últimas técnicas quando combinadas permitiram uma análise mais precisa da variabilidade genética das populações estudadas. O índice de diversidade de Shannon foi utilizado para comparar o grau de diversidade observado nas diferentes populações. Também foi observada uma correlação direta entre o grau de diversidade e o pH do solo. Os resultados obtidos permitiram concluir que as populações de bradirrizóbios que nodulam as lavouras de soja do RS são altamente variáveis, podem persistir nos solos, mesmo na ausência da planta hospedeira, e sofrem influência de fatores bióticos e abióticos. / Rhizobia are Gram-negative aerobic bacteria that fix atmospheric nitrogen in symbiosis with leguminous plants. Bacteria belonging to the Bradyrhizobium genus are very important because they are able to nodulate and fix nitrogen in symbiosis with soybean [Glycine max (L.) Merrill]. Characterization of rhizobia is fundamental in studies concerning the diversity and ecological distribution of these microorganisms. Three studies have been conducted in this work: i) a strategy based on amplification by PCR to differentiate Bradyrhizobium japonicum and B. elkanii using 16S rDNA sequences; ii) the genetic variability assessment of a bradyrhizobial population isolated from an experimental field thirty years after the inoculation with reference strains; iii) the genetic variability characterization of bradyrhizobia isolated from five soybean fields in different regions in Rio Grande do Sul (RS) State and the environmental factors that can influence such diversity. Molecular biology techniques were used for the identification, occurrence, distribution, and studies of rhizobia population, specially the 16S rRNA gene amplification by PCR, rep-PCR and AFLP. When combined, these last two techniques provided an accurate analysis of the genetic diversity of the analyzed populations. Shannon diversity index was used to compare the diversity among different populations.A direct correlation was observed between diversity degree and soil pH. The results obtained have shown that bradyrhizobia nodulating soybean in RS are highly variable and were able to persist in soil even when the host legume was lacking. Besides they have shown to be influenced by abiotic and biotic parameters.

Embora o ferro seja um dos elementos mais abundantes na crosta terrestre, somente uma pequena fração está disponível para ser utilizada pelos organismos vivos. A solubilidade do ferro em solos com pH neutro é muito baixa, aproximadamente 10-18 M. Em condições de baixa disponibilidade de ferro, diversos microrganismos podem produzir e excretar sideróforos, quelantes orgânicos de baixo peso molecular envolvidos na solubilização e seqüestro de Fe3+. A captação de ferro é fator limitante para a fixação biológica do nitrogênio, uma vez que esse elemento está diretamente envolvido em moléculas como a nitrogenase, leg-hemoglobina, ferredoxina e citocromos. Enquanto microrganismos de vida-livre, os rizóbios devem ser capazes de solubilizar ferro e competir por ele no solo. As bactérias pertencentes ao gênero Bradyrhizobium são de grande relevância agronômica devido à capacidade de fixar nitrogênio em simbiose com diversas leguminosas, especialmente a soja [Glycine max (L.) Merrill]. B. japonicum and B. elkanii são duas espécies capazes de nodular soja e quatro estirpes são comumente utilizadas como inoculantes no Brasil: B. elkanii SEMIA 587 e SEMIA 5019 e B. japonicum SEMIA 5079 e SEMIA 5080. Os genes fegA e fhuA, relacionados à síntese de proteínas de membrana transportadoras do complexo Fe3+ - sideróforo já foram identificados em B. japonicum 61A152 e Rhizobium leguminosarum, respectivamente. Ao contrário de B. japonicum, nada se conhece sobre esses genes na espécie B. elkanii. No presente trabalho foram analisadas a habilidade em produzir sideróforos e a presença de genes relacionados à síntese de proteínas receptoras do complexo Fe3+ - sideróforo entre diferentes estirpes de Bradyrhizobium. Uma porção do gene fhuA de B. elkanii foi isolada e apresentou um elevado grau de conservação com outros genes relacionados à captação de sideróforos em diferentes bactérias. Experimentos de Southern-blot demonstraram que existe apenas uma cópia do gene fhuA, e nenhuma do gene fegA, no genoma da estirpe SEMIA 587 de B. elkanii. Através do tradicional método CAS, a capacidade de produzir e captar sideróforos in vitro foi confirmada entre as estirpes de B. elkanii utilizadas como inoculantes comerciais no Brasil. As linhagens de B. japonicum, entretanto, mesmo possuindo receptores de membrana específicos para sideróforos, não são capazes de se multiplicar em meio de cultura deficiente em ferro. Tais resultados indicam a possibilidade de diferenças significativas quanto ao sistema de captação de ferro entre tais estirpes. Estudos que confirmem a função do gene fhuA estão sendo conduzidos para verificação da viabilidade fenotípica de B. elkanii mutante para esse gene. / Although iron is one of the most abundant elements in Earth, only one small fraction is available to be used by living organisms. The solubility of iron in soils with neutral pH is very low, approximately 10-18 M. During iron deficiency, many microorganisms can produce and excrete low molecular weight organic chelators termed siderophores involved in the solubilization and sequestration of Fe3+. The iron uptake is a limiting factor for the biological nitrogen fixation as iron is directly involved in many molecules that are essential to this process, like nitrogenase, leg-hemoglobin, ferredoxin and cytochrome. While free-living microorganism, rhizobia should be able to solubilize iron and compete for it in soil. Bacteria belonging to the genus Bradyrhizobium are of enormous agricultural value since they are able to fix atmospheric nitrogen in symbiosis with several leguminous plants, especially soybean [Glycine max (L.) Merrill]. B. japonicum and B. elkanii strains are two species capable of nodulate soybean, in which four strains are commonly used as inoculant in Brazil: B. elkanii SEMIA 587 and SEMIA 5019 and B. japonicum SEMIA 5079 and SEMIA 5080. In B. japonicum 61A152 and Rhizobium leguminosarum fegA and fhuA genes, which are involved in the synthesis of membrane Fe3+-siderophore uptake proteins were already identified, respectively. In the opposite, almost nothing is known about these genes in B. elkanii species. In this work the siderophore production ability and the presence of genes related to the membrane Fe3+- siderophore uptake were analyzed in several Bradyrhizobium strains. A B. elkanii fhuA DNA region was isolated and it presented a high level of homology with others siderophore uptake related genes from different bacterial species. Southern blot experiments shown that there is a single fhuA gene copy in the B. elkanii SEMIA 587 genome, and no fegA gene was identified in this genome. Through the traditional CAS methodology, the siderophore production and uptake in vitro activities were demonstrated in the B. elkanii strains used as inoculant in Brazil. B. japonicum strains, however, although having siderophores specific membrane receptors, were not able to growth in a medium lacking iron. Such results indicated that significant differences concerning iron uptake system might exist between these two bacterial species. Studies to confirm fhuA gene function are under way aiming to verify the phenotypic viability of B. elkanii fhuA mutants.

Das Bakterium Bradyrhizobium japonicum ist wie andere Rhizobien in der Lage mit Pflanzen der Familie Fabales (Leguminosen) eine Symbiose einzugehen. Im symbiontischen Zustand fixieren die Mikrosymbionten atmosphärischen, molekularen Stickstoff und stellen diesen den Pflanzen in verwertbarer Form zur Verfügung. Im Gegenzug erhalten die Bakterien von den Pflanzen verschiedene Verbindungen als Kohlenstoff- und Energiequelle. Dem geht ein komplexer Signalaustausch voraus um die gegenseitige Erkennung der Partner und die Spezies-spezifische Symbiose zu ermöglichen. Auf Seite der Bakterien erfolgt die Reaktion auf die Gegenwart pflanzlicher Signalmoleküle. In B. japonicum induziert das Flavonoid Genistein die Transkription einer Reihe von Genen. Durch die Expression der nod-Gene erfolgt eine Synthese von Lipochitooligosacchariden. Diese sogenannten Nodulationsfaktoren rufen wiederum eine Reaktion in der Wirtspflanze hervor. Um die zugrunde liegende Genexpression und deren Regulationsmechanismen zu erforschen, standen bis dato nur Methoden für die Untersuchung einzelner Gene zur Verfügung. Die erstmals 1995 publizierte Microarraytechnologie eröffnete die Möglichkeit zu einem Zeitpunkt die Gentranskription eines gesamten Organismus zu untersuchen (Schena et al. 1995). Um mit dieser Technologie die Gentranskription bei B. japonicum zu untersuchen, wurde ein auf PCR-Produkten basierender Microarray hergestellt. Grundlage für die Synthese genspezifischer PCR-Produkte war die symbiontische Region von B. japonicum und andere zu diesem Zeitpunkt bekannte Gensequenzen (Göttfert et al. 2001). Nach der 2002 erfolgten Veröffentlichung des Genoms von B. japonicum erfolgte ein Abgleich der bisher verwendeten Sequenzen mit der vollständigen Sequenzinformation (Kaneko et al. 2002a). Nach Synthese der PCR-Produkte und deren Kontrolle durch Sequenzierung erfolgte die Herstellung des Microarrays unter Einsatz eines Microarrayspotters. Geeignete Techniken der cDNA-Markierung und die Microarray-Hybridisierung wurden mit Total-RNA von B. japonicum-Kulturen ausgetestet und etabliert. Eine differentielle Expremierung war eine Stunde nach Genistein- bzw. Methanolgabe zum Kulturmedium nicht nachweisbar. Zum darauffolgenden Zeitpunkt konnte die bekannte Induktion der nod-Gene durch dass Flavonoid Genistein beobachtet werden. Diese Induktion fiel in den verbleibenden zwei Zeitpunkten stark ab. Dieser Abfall der Induktionsrate ließ sich nicht mit dem Genisteingehalt im Kulturmedium erklären, da dieser Zeitraum konstant blieb. Vier Stunden nach Genisteingabe war die Induktion der Gene nolA und nodD2, deren Produkte sind an der negativen Regulation der nod-Gene beteiligt, nachweisbar. Dies wäre eine mögliche Erklärung für den Abfall der Induktion der nod-Gene. Im gleichen untersuchten Zeitraum wurde die Transkription verschiedener Gene der Stickstofffixierung und Denitrifikation durch das Flavonoid Genistein induziert. Auch für die bekannten Regulatoren dieser Gene war eine Induktion nachweisbar. Nach bisherigen Arbeiten war die Expression dieser Gene auf mikroaerobe und anaerobe Zustände, wie z.B. dem symbiontischen Stadium, beschränkt. Eine Induktion durch Flavonoide ist bisher nicht beobachtet worden. Um die Verwendbarkeit des Microarrays auch für den symbiontischen Zustand von B. japonicum zu testen, wurden Versuche mit Wurzelknöllchen von Sojabohne (Glycine max) durchgeführt. Dafür wurden Keimlinge der Sojabohne (G. max) mit B. japonicum inokuliert und die Total-RNA der entstehenden Wurzelknöllchen isoliert. Jedoch war eine Kreuzhybridisierung mit pflanzlicher Total-RNA zu beobachten. Der auf PCR-Produkten basierende Microarray ist für die Untersuchung des symbiontischen Stadiums von B. japonicum nicht einsetzbar. Im Vergleich dazu wurde ein auf Oligomeren basierender, kommerzieller Microarray für diesen Versuch getestet. Die Kreuzhybridisierung mit pflanzlicher Total-RNA war auf die Oligomere für die 16S rDNA und 23S rDNA reduziert.

Master of Science / Department of Agronomy / Kraig Roozeboom / Nitrogen fixation by Bradyrhizobium japonicum in soybean [Glycine max] is highly beneficial in soybean crop production. Nodulation issues have been encountered on fields new to growing soybeans in recent years in Kansas. The purpose of this research was to evaluate soybean nodulation performance under various situations and seed handling practices in order to educate producers on how to achieve reliable nodulation consistency in the field. The objectives of the study were to: 1) compare inoculant products using single and double rates and in combination with one another on fields with varying soybean history; 2) determine if there was a negative interaction between inoculant products and common seed treatments; and 3) discover the influence of inoculated seed storage conditions before planting on the rhizobia’s ability to successfully nodulate soybean roots. Field experiments were conducted on diverse Kansas sites in 2011 and 2012. Inoculant treatment and seed treatment interaction trials had ten and seven experimental sites respectively. Inoculated seed storage conditions were evaluated in a greenhouse experiment during the spring of 2013. All studies used a randomized complete block design with four replications. The Novozymes inoculant products generally provided superior nodulation performance over other company products in the study where soybean had not been in recent rotation with an average increase of 167% in nodule number verses the control. The combination of dry and liquid inoculant products provided a significant increase in root nodule number at five of the environments out of recent rotation with a 76% increase over single inoculant rates. Although there were early season nodulation differences between treatments in new soybean ground, these did not carry through to seed yield differences in the majority of research sites. Hot and dry summer conditions reduced yields, making detection of treatment differences difficult. There were no negative effects on nodulation performance with any of the seed treatments. Although soybean seed yield was 634 kg ha[superscript]-[superscript]1 greater for the Novozyme combination treatment compared to the check at one location in 2011, the control yielded as well or better than all other treatment/inoculant combinations, implying that yield differences were likely not related to inoculant treatments. At other sites, yield was not influenced by seed treatment and inoculant combinations. Results indicate that seed treatment formulations did not significantly impact bacterial inoculant product performance, soybean nodulation, or yield. Storage conditions had no effect on nodulation performance in the greenhouse study, likely due to survival of Bradyrhizobium japonicum in the heat-treated growth medium.