A utilização massiva de fertilizantes químicos na agricultura tem efeitos perniciosos ao ambiente. As bactérias do gênero Azospirillum são amplamente estudadas, pois são capazes de promover o crescimento vegetal. Essa característica lhes confere potencial para serem utilizadas na agricultura como uma alternativa ecologicamente compatível. Embora a espécie Azospirillum amazonense seja menos conhecida, o estudo de sua biologia molecular poderia contribuir para a elucidação dos mecanismos envolvidos na promoção do crescimento vegetal. Na primeira parte deste trabalho, foram descritas ferramentas genéticas que podem facilitar o estudo da biologia molecular de A. amazonense. Métodos de conjugação e eletroporação foram otimizados utilizando vetores com origens de replicação de amplo espectro (pVS1 e pBBR1). Além disso, mutantes para o gene glnK foram gerados utilizando o sistema do vetor pK19MOBSACB. Finalmente, um protocolo de análise de promotores baseado na expressão de proteínas fluorescentes foi desenvolvido para permitir estudos de regulação gênica. Na segunda parte do trabalho, uma análise abrangente das características do draft do genoma de A. amazonense foi realizada. Essa espécie apresenta um repertório versátil de genes, crucial para seu modo de vida na rizosfera. Genes putativos relacionados com metabolismo de nitrogênio e de carbono, produção de energia, produção de fitormônio, transporte, quorum sensing, resistência a antibióticos, síntese de bacteriofitocromo, quimiotaxia e motilidade foram identificados. Os genes da fixação do nitrogênio e da nitrilase poderiam estar diretamente relacionados com a promoção do crescimento vegetal. A identificação de genes da RubisCO sugere que A. amazonense seja capaz de fixar carbono, característica do seu metabolismo antes desconhecida. Outro aspecto relevante é que alguns genes de A. amazonense, como os da nitrogenase e da RubisCO, são mais próximos filogeneticamente aos genes de membros da ordem Rhizobiales do que dos de espécies do mesmo gênero. / The massive use of chemical fertilizers in agriculture has harmful effects to the environment. Bacteria from the Azospirillum genus are widely studied, since they are able to promote plant growth. This feature gives them the potential to be used in agriculture as an ecologically compatible alternative. Although the Azospirillum amazonense is a lesserknown species, the study of its molecular biology could contribute to a better understanding of the mechanisms implicated in plant growth. In the first part of this study, genetic tools that can support the study of the molecular biology of A. amazonense were described. Conjugation and electrotransformation methods were established utilizing vectors with broad host-replication origins (pVS1 and pBBR1). Furthermore, glnK-specific A. amazonense mutants were generated utilizing the pK19MOBSACB vector system. Finally, a promoter analysis protocol based on fluorescent protein expression was optimized to aid genetic regulation studies on this bacterium. In the second part of this study a comprehensive analysis of the genomic features of this species was presented. The species A. amazonense presents a versatile repertoire of genes crucial for its plant-associated lifestyle. Genes of A. amazonense related to nitrogen/carbon metabolism, energy production, phytohormone production, transport, quorum sensing, antibiotic resistance, chemotaxis/motility and bacteriophytochrome biosynthesis were identified. Noteworthy genes were the nitrogen fixation genes and the nitrilase gene, which could be directly implicated in plant growth promotion, and the carbon fixation genes, which had previously been poorly investigated in this genus. One important finding was that some A. amazonense genes, like the nitrogenase genes and RubisCO genes, were closer phylogenetically to genes from Rhizobiales members than to those from species of its own order.

O nitrogênio é um elemento essencial à vida na Terra. Em geral, a disponibilização desse elemento para os seres vivos se dá por meio da fixação biológica do nitrogênio (FBN). Os micro-organismos capazes de realizar a FBN são denominados de diazotróficos e contêm o complexo enzimático da nitrogenase. Por ser um processo extremamente dispendioso, a FBN é regulada, principalmente, em nível transcricional, em resposta à quantidade de nitrogênio fixado e aos níveis de oxigênio. Os mecanismos de regulação do processo em bactérias Gram-negativas estão bem caracterizados, porém, em bactérias Gram-positivas, os estudos ainda são escassos. Paenibacillus riograndensis é uma bactéria Gram-positiva diazotrófica aeróbia facultativa e formadora de esporos, cujo sequenciamento completo do genoma a capacita como um interessante modelo para o estudo da regulação da FBN. No genoma de P. riograndensis foram identificados três agrupamentos contendo genes relacionados à FBN. Um deles, com uma organização estrutural menos conservada, foi considerado inativo a partir de análises de PCR em tempo real e de atividade de promotor. Os outros dois tiveram seus transcritos identificados e induzidos sob condições de fixação de nitrogênio, sendo um deles responsável pela codificação de um sistema alternativo da nitrogenase, independente de molibdênio. Esse sistema alternativo foi identificado como sendo aquele composto apenas por ferro e validado tanto pela análise das sequências dos genes estruturais, como pela atividade enzimática em meio sem molibdênio. Sequências localizadas a aproximadamente 250 pares de bases (pb) a montante do início da tradução dos primeiros genes dos dois agrupamentos funcionais também tiveram suas atividades como regiões reguladoras validadas pelo reconhecimento em Escherichia coli, com um provável padrão de iniciação da transcrição constitutivo. Uma menor atividade de transcrição foi observada no fragmento de 500 pb localizado a montante do agrupamento dos genes da nitrogenase alternativa, indicando a presença de regiões contendo motivos de regulação negativa do processo. Investigações mais detalhadas dessas sequências podem revelar padrões inéditos para a regulação da FBN em bactérias Gram-positivas, em geral, e em P. riograndensis, em particular. / Nitrogen is an essential element for life. In general, it becomes available to biosphere mainly through biological nitrogen fixation (BNF). Microorganisms named diazotrophs perform BNF and they have the nitrogenase enzyme. As BNF is a very energetic expensive process, it is tightly regulated mainly at transcriptional level in response to available nitrogen and oxygen levels. Regulatory networks comprising BNF systems in Gramnegative bacteria are well characterized, while studies related to Gram-positive bacteria are scarce. Paenibacillus riograndensis is a Gram-positive endospore-forming facultative anaerobic diazotroph, whose complete genome sequence presents it as an interesting model for the study of BNF regulation. In P. riograndensis genome three cluster comprising BNF related genes were identified. One of them, displaying a less conserved structural organization, was stated as inactive from real time PCR and promoter activity analysis. The other ones had their transcripts identified and responded to nitrogen fixation conditions. One of the active clusters comprises genes coding for an alternative nitrogenase system independent of molybdenum, the iron-only system. This alternative system was validated by enzymatic activity under Mo-depleted conditions. Sequences 250 base pairs (bp) upstream from the first open reading frame (ORF) of each active cluster had their promoter activities validated by recognizing in Escherichia coli, showing a probable constitutive expression pattern. A weaker promoter activity was identified in a fragment 500 bp upstream of the first ORF from the alternative cluster, suggesting the presence of a negative regulation motif. Future investigations may provide us with new patterns of BNF regulation in Gram-positive bacteria, in general, and in P. riograndensis in particular.

Bactérias do gênero Azospirillum possuem a capacidade de promover o crescimento vegetal através de mecanismos que não estão claramente elucidados. Contudo, essa característica é muito estudada, tendo em vista a possibilidade de utilizar esses microrganismos na agricultura em detrimento do uso indiscriminado de fertilizantes industriais, que poluem o meio ambiente. O solo é um ambiente altamente variável quanto à disponibilidade de nutrientes e quanto a fatores físico-químicos, por isso, bactérias que ocupam esse nicho possuem um aparato genético capaz de prover uma adaptação plena a este ambiente. A bactéria A. amazonense tem um genoma altamente complexo e pouco estudado. O presente trabalho isolou genes envolvidos na resposta de A. amazonense ao estresse por limitação nutricional de nitrogênio, elemento crucial para a sobrevivência, já que compõe diferentes moléculas biológicas. Um dos objetivos deste trabalho foi o isolamento de genes que codificam proteínas PII em A. amazonense, que estão envolvidas na regulação do metabolismo do nitrogênio. A. amazonense apresenta dois genes parálogos que codificam para proteínas PII, glnB e glnK. Demonstramos que ambos são regulados pela disponibilidade de nitrogênio no meio. A região promotora de glnK possui elementos típicos de genes regulados pelo sistema Ntr: quatro sítios de ligação ao fator de transcrição NtrC e um promotor dependente de σ54. Foi identificada uma seqüência que corresponde a um promotor dependente de σ70 putativo sobreposto a um sítio de ligação a NtrC. O segundo objetivo foi isolar genes regulados pela disponibilidade de nitrogênio através da técnica Micro-RDA. Essa técnica é muito sensível, no entanto há poucos relatos da sua utilização em bactérias, visto provavelmente as dificuldades técnicas do trabalho com o mRNA bacteriano. Através desse procedimento, foram isolados oito genes envolvidos na resposta à limitação de nitrogênio. Sete deles apresentam homologia com genes de bactérias da classe Proteobacteria: dnaK e rpoH (genes que codificam proteínas envolvidas em choque térmico), relA (envolvido na síntese de ppGpp, um mediador da resposta “estringente”), um gene que codifica para uma diguanilato ciclase/fosfodiesterase (envolvido na síntese de c-di-GMP, envolvido na formação de biofilmes), um gene que codifica uma subunidade do complexo I da cadeia transportadora de elétrons, glnA (glutamina sintetase) e gltB (glutamato sintase). A variedade funcional desses genes ilustra o grau de complexidade da resposta de A. amazonense à limitação nutricional de nitrogênio. / Bacteria belonging to the Azospirillum genus are capable of promoting plant growth, but the mechanisms implicated in this feature are not clearly elucidated. This ability has been investigated by several research groups with the main objective of substitute the use of industrialized fertilizers by bacteria inoculation in the soil. The soil is a very dynamic enviroment, so bacteria have developed many genetic resources to survive in this environment. Azospirillum amazonense has a very complex genome and up till now is poorly analysed. This work has isolated different genes implicated in the nitrogen starvation response of A. amazonense. In the first part of this work we investigated the PII coding genes of A. amazonense, that are involved in nitrogen metabolism regulation. A. amazonense has two PII genes, glnK and glnB. Both are regulated by the nitrogen availability in the medium. The glnK regulatory region has typical elements of Ntr regulated genes: four NtrC UAS sequences (upstream activator binding site) and one σ54-dependent promoter. A putative σ70-dependent promoter, that overlaps the NtrC UAS sequence has been found. In the second part of this work we isolated nitrogen regulated genes by the Micro-RDA technique. This tecnique is very sensitive, but there are few reports of its applicability on bacterial species. This occurs probably due to the bacterial mRNA features. In our work we isolated eight nitrogen regulated genes through the micro-RDA procedure and seven of them have shown similarity to proteobacteria genes. The isolated sequences correspond to: dnaK and rpoH genes (implicated in heat shock response), relA gene (involved in stringent response), a diguanylate cyclase/phosphodiesterase gene (implicated in biofilm formation), a complex I subunit gene (electrons transport chain), glnA gene (glutamine syntethase) and gltB gene (glutamate synthase). The functional variability of these genes illustrates the complexity of the nitrogen starvation response of A. amazonense.

O sistema de produção convencional adotado para macieira depende de recursos não-renováveis, como fertilizantes, além de uma quantidade excessiva de inseticidas. Felizmente esse sistema convencional está sendo substituído, por um número crescente de produtores de maçã na região serrana catarinense, por um sistema de produção orgânico. Bactérias promotoras de crescimento de plantas (PGPB-Plant Growth-Promoting Bacteria) são bactérias encontradas no solo e na rizosfera de plantas hospedeiras. Estas bactérias também desempenham um papel importante no controle biológico, uma vez que podem induzir resistência sistêmica contra vários agentes patogênicos. Esse estudo teve dois objetivos principais: 1) avaliar a diversidade de bactérias cultiváveis isoladas da rizosfera e raízes de macieiras cultivadas sob diferentes sistemas de plantio na região sul do estado de Santa Catarina; e 2) realizar a prospecção de clones metagenômicos capazes de induzir resistência sistêmica em macieiras contra o fungo Colletotrichum gloeosporioides, agente causal da doença da mancha foliar. Para o primeiro objetivo, amostras de solo rizosférico e raízes de macieiras foram coletadas de pomar orgânico e convencional, juntamente com amostras de uma área nunca utilizada para agricultura (campo nativo). As bactérias foram identificadas em nível de gênero por PCR-RFLP e sequenciamento parcial do gene do 16S rRNA e foram avaliadas em relação a diversas características de promoção de crescimento vegetal. Entre as 300 linhagens isoladas, 214 foram capazes de produzir sideróforos, 36 foram capazes de solubilizar fosfatos e 21 produziram uma grande quantidade de compostos indólicos. Sessenta e nove isolados também apresentaram alguma atividade antagonista contra o fungo fitopatogênico Colletotrichum gloeosporioides. Entre os gêneros bacterianos mais abundantes destacaram-se linhagens pertencentes a Rahnella sp., Enterobacter sp., Pseudomonas sp., Stenotrophomonas sp., Rhizobium sp., Pantoea sp. e Raoultella sp. Um experimento in vivo foi conduzido com cinco isolados e o fungo C. gloeosporioides tendo sido observado que o isolado 89, identificado como Burkholderia sp., foi capaz de reduzir os efeitos patogênicos nas plantas inoculadas. Os resultados obtidos permitiram inferir como a atividade humana está afetando as comunidades bacterianas do solo associadas aos sistemas de cultivo de macieiras, bem como obter isolados capazes de inibir o crescimento de um patógeno importante para esta cultura. Em relação ao segundo objetivo, amostras de solo rizosférico de macieiras cultivadas em pomares orgânicos e convencionais no município de São Joaquim/SC foram coletadas e o DNA metagenômico foi extraído. Para a confecção das bibliotecas metagenômicas foi utilizado o kit CopyControlTM HTP Fosmid Library Production (EPICENTRE). Até o momento, 160 clones foram testados quanto à atividade antagônica contra o fungo C. gloeosporioides em ensaios in vitro. Entretanto, nenhum destes 160 clones foi capaz de inibir o crescimento do micélio fúngico. Com o advento da metagenômica, micro-organismos não cultiváveis do solo poderão ter seu DNA e/ou parte dele desvendado, e, assim, obter uma gama imensurável de biomoléculas para serem utilizadas com fins biotecnológicos na cultura da maçã. Dessa forma, as informações adquiridas com a metagenômica, associada com as informações já existentes de PGPBs, poderão trazer mais resultados positivos de associações bacterianas que visam à promoção do crescimento vegetal, bem como o efeito bacteriano antagonista no controle de agentes fitopatogênicos. / The conventional production system adopted for apple crop depends on non-renewable resources, such as fertilizers, in addition to the excessive amount of insecticides. Fortunately, this system is being replaced by an organic system. Plant growth promoting bacteria (PGPB) are bacteria found in soil and roots of host plants. These bacteria also play an important role in biological control, as they can induce systemic resistance against various pathogens. This study had two aims: 1) to evaluate the diversity of cultivable PGPB isolated from rhizospheric soil and roots of apple trees cultivated under different crop systems in the south of Santa Catarina state; and 2) the bioprospection of metagenomic clones able to induce apple systemic resistance against Colletotrichum gloeosporioides, the causal agent of leaf spot disease. For the first objective, samples of roots and rhizospheric soil of apple trees cultivated in organic and conventional orchards were collected, together with soil samples from an area never used for agriculture. Bacteria were identified at the genus level by PCR-RFLP 16S rRNA gene analysis and partial sequencing methodologies and were evaluated for several plant growth abilities. Among the 300 strains isolated, 214 were able to produce siderophores, 34 were able to solubilize phosphates and 21 isolates produced a large amount of indolic compounds. Seventy-nine isolates presented some antagonist activity against C. gloeosporioides. Among the most abundant genera identified were, respectively, Rahnella sp., Enterobacter sp., Pseudomonas sp., Stenotrophomonas sp., Rhizobium sp., Pantoea sp., and Raoultella sp. An in vivo experiment was conducted with five isolates and C. gloesporoides fungus, it was observed that the isolate 89, identified as Burkholderia sp., was able to reduce the phytopathogenic damage in the inoculated plants. Our results allowed us to infer how anthropogenic activity is affecting the bacterial communities in soil associated with apple tree crop systems, and to obtain an isolate that was able to delay the emergence of an important disease for this culture. In relation to the second objective, samples of rhizospheric soil from apple trees cropped in organic and conventional orchards in São Joaquim locality (SC) were collected and metagenomic DNA was extracted. To construct metagenomic libraries, the CopyControlTM HTP Fosmid Library Production (EPICENTRE) kit was used. Up to know 160 clones were tested in relation their antagonistic ability against C. gloeosporioides fungus in in vitro assays. However, none of them was able to inhibit the fungal growth. With the advent of metagenomics, non-cultivable micro-organisms in the soil may have their DNA and / or part unraveled, and thus obtain an immeasurable range of biomolecules for use in biotechnological purposes in apple orchards. Thus, the information acquired with metagenomics, associated with existing information PGPBs may bring more positive results of bacterial associations seeking to promote plant growth and bacterial antagonist effect in controlling pathogenic agents.

O nitrogênio é um elemento essencial à vida na Terra. Em geral, a disponibilização desse elemento para os seres vivos se dá por meio da fixação biológica do nitrogênio (FBN). Os micro-organismos capazes de realizar a FBN são denominados de diazotróficos e contêm o complexo enzimático da nitrogenase. Por ser um processo extremamente dispendioso, a FBN é regulada, principalmente em nível transcricional, em resposta à quantidade de nitrogênio fixado e aos níveis de oxigênio. Os mecanismos de regulação do processo em bactérias Gram-negativas estão bem caracterizados, porém, em bactérias Gram-positivas, os estudos ainda são escassos. Paenibacillus riograndensis SBR5T é uma bactéria Gram-positiva diazotrófica aeróbia facultativa e formadora de esporos, interessante modelo para o estudo da regulação da FBN com o genoma completo disponível. O fator de transcrição GlnR foi proposto como regulador dos genes nif em Paenibacillus spp. a partir de análises in silico. O presente trabalho identificou sítios de ligação de GlnR em promotores de genes envolvido com a FBN e validou o papel de GlnR como regulador negativo dos genes nif em P. riograndensis. Também foi demonstrado que a enzima glutamina sintetase interage com GlnR quando está inibida por feedback e estabiliza a ligação de GlnR às regiões reguladoras dos genes nif. Um modelo de repressão baseado em operadores múltiplos foi proposto integrando a regulação da FBN à regulação global do nitrogênio exercida por GlnR. Na tentativa de identificar elementos específicos relacionados à regulação do molibdênio (componente do cofator enzimático) e da nitrogenase alternativa (com cofator independente de molibdênio), foi acessado o perfil transcricional de P. riograndensis sob condições de limitação de nitrogênio e molibdênio. Alguns fatores de transcrição especificamente induzidos sob tais condições e provavelmente relacionados à homeostase de metais foram identificados. Com relação à glutamina sintetase, além da demonstração da interação entre a enzima e o fator de transcrição GlnR, duas proteínas adicionais homólogas de glutamina sintetase e que não participam dessa regulação foram identificadas codificadas no genoma. Uma delas foi caracterizada como glutamina sintetase funcional, enquanto a outra não apresentou atividade bioquímica. Além disso, um protocolo para transformação da linhagem em estudo foi estabelecido e otimizado, o que permitirá aprofundar os estudos de genética molecular tanto da FBN como de outros processos de interesse em P. riograndensis. / Nitrogen is an essential element for life. In general, it becomes available to biosphere mainly through biological nitrogen fixation (BNF). Microorganisms named diazotrophs perform BNF and they have the nitrogenase enzyme. As BNF is a very energetic expensive process, it is tightly regulated mainly at transcriptional level in response to available nitrogen and oxygen levels. Regulatory networks comprising BNF systems in Gram-negative bacteria are well characterized, while studies related to Gram-positive bacteria are scarce. Paenibacillus riograndensis SBR5T is a Grampositive endospore-forming facultative anaerobic diazotroph, whose complete genome sequence presents it as an interesting model for the study of BNF regulation. The transcription factor GlnR has been proposed as the nif regulator in Paenibacillus spp. based on in silico analysis. The present work identified GlnR-binding sites at BNFrelated promoters and validated GlnR role as nif negative regulator in P. riograndensis. It was also demonstrated that the feedback-inhibited glutamine synthetase enzyme interacts with GlnR and stabilizes its binding activity in the nif genes promoters. A multiple operator model was proposed to integrate BNF regulation and the global nitrogen regulation coordinated by GlnR. In an effort to identify specific regulatory elements related to molybdenum (enzymatic cofactor component) and the alternative nitrogenase (which presents a molybdenum-independent cofactor), the transcriptional profile of P. riograndensis was accessed under nitrogen and molybdenum limiting conditions. Transcription factors specifically induced under such conditions and probably related to metal homeostasis were identified. Regarding the glutamine synthetase, two additional glutamine synthetase homologs that do not take part in GlnR regulation were identified. One of them was characterized as a functional glutamine synthetase, while the other did not display biochemical activity. Also, a protocol to transform the model in study was established and optimized. This protocol allows the development of further molecular research to unveil BNF and other interesting processes in P. riograndensis.

As possíveis relações entre características fisiológicas e as enzimas glutamina sintetase e alantoinase com a fixação biológica de nitrogênio e expressão Hup (hydrogen uptake) foram estudadas neste trabalho. Plantas de caupi (Vigna unguiculata L. Walp) e soja (Glycine max L. Merril) inoculadas com as estirpes SR ( Hup+) e Semia-587 (Hup-hr) de Bradyrnizobium japonicum foram cultivadas em solução nutritiva livre de nitrogênio combinado em casa-de-vegetação. Caupi inoculado com SR, apresentou menor liberação de hidrogênio, peso da matéria fresca de nódulos, atividade de redução de acetileno e alantoinase nas folhas do que quando inoculado com Semia-587. Nos outros parâmetros estudados as estirpes se comportaram de maneira semelhante. Soja inoculada com a estirpe SR apresentou maiores valores de acúmulo de fitomassa e nitrogênio na parte aérea eficiência nodular, atividade específica de redução de acetileno e menor peso de matéria fresca de nódulo s em relação à soja inoculada com a estirpe Semia-587. Em todas as simbioses estudadas a eficiência relativa da nitrogenase esteve ao redor de 0,97, indicando que as diferenças observadas não são consequência direta dos benefícios da hidrogenase. No entanto, é possível que o fenótipo Hup + esteja associado geneticamente, a características fisiológicas que contribuem para a maior eficiência simbiótica. Foi observado que a atividade de glutamina sintetase tem pouca relação com a atividade específica da nitrogenase, indicando a pequena integração destes processos nas simbioses em questão / Possible relationships between the physiological characteristcs and the enzymes glutamine synthetase and allantoinase with biological nitrogen fixation and Hup (hydrogen uptake) expression were studied. Cowpea (Vigna unguiculata L. Walp) and soybean (Glycine max L. Merril) plants inoculated with the strains SR (Hup+) and SEMIA-587 (Hup-hr) of Bradyrhizobium japonicum were grown in nitrogen free nutrient solution, under greenhouse conditions. The symbioses cowpea x SEMIA-578 showed higher nitrogenase and allantoinase activities, hidrogen evolution and nodule weigh than cowpea x SEMIA-587. The other parameters studied, showed no statistical differences. Soybean inoculated with strain SR showed higher plant dry weigh, nitrogen content, nodule efficiency, and specific nitrogenase activity than soybean inoculated with strain SEMIA-587. Also, soybean x SR showed lower nodule weigh than soybean x SENIA-587. In the symbioses studied, the relative efficiency of nitrogenase was about 0.97, indicating that differences observed can not be atributed only to differences in hydrogenase activity. However, it is possible that the phenotype Hup+ was associated genetically with physiological characteristcs which contributed to increasing the symbiotic efficiency. It was observed that glutamine synthetase activity has little relationship with specific nitrogenase activity, indicating a lack of interaction between these processes in the symbioses studied.

Na simbiose entre soja e bactérias diazotróficas ocorre o processo de Fixação Biológica de Nitrogênio (FBN) no nódulo. Nessa associação há uma comunicação constante, pois a liberação de exsudatos pela planta é percebida pela bactéria, que, então, produz lipo-quito-oligossacarídeos, chamados fatores Nod (FNs), moléculas de sinalização na nodulação. Esses FNs são produtos da atividade dos genes nod bacterianos. Os genes nod regulatórios codificam fatores de transcrição (FTs) responsáveis pela regulação dos genes nod estruturais, que codificam enzimas para a biossíntese dos FNs. Na região promotora dos genes nod atua o FT NodD, que se liga em sequências específicas conservadas, chamadas nod boxes. Essa comunicação abrange a regulação de vários genes, como os genes nod regulatórios nodD1 e nodD2 de Bradyrhizobium elkanii SEMIA 587. Bradyrhizobium elkanii são bactérias Gram-negativas, fixadoras de nitrogênio, usadas comercialmente para a produção de inoculantes na agricultura, devido à eficiência do processo de FBN na simbiose, o que justifica o interesse em torno dessa interação. No micro-organismo modelo Bradyrhizobium diazoefficiens USDA110, as proteínas NodD1 e NodD2, sintetizadas a partir dos genes nodD1 e nodD2, respectivamente, têm ações contrárias. Enquanto NodD1 age como um regulador transcricional positivo dos operons nod e regula a sua própria transcrição, NodD2 atua como um regulador negativo desses operons. Isso despertou o interesse de investigar o papel dessas proteínas em B. elkanii SEMIA 587, com a finalidade de testar se elas apresentam funções semelhantes àquelas demonstradas na estirpe padrão USDA110. Sendo assim, o objetivo do trabalho foi contribuir, através da aplicação de diferentes metodologias, para um melhor entendimento em relação à regulação dos genes nod em B. elkanii SEMIA 587. Para tanto, fragmentos de DNA contendo os genes nodD1 e nodD2 dessa bactéria foram clonados nos vetores pGEM e pGEX-4T2, para produção das proteínas recombinantes em Escherichia coli BL21, a fim de realizar experimentos de retardamento em gel para comprovar a ligação das proteínas NodD1 e NodD2 nos nod boxes identificados nas regiões reguladoras dos respectivos genes, bem como determinar a eficiência de cada ligação. A expressão de ambas as proteínas em E. coli foi visualizada em gel SDS-PAGE e as proteínas estão em fase de purificação. Clonagens posteriores realizadas usando o sistema Gateway® para inserção dos genes nodD1 e nodD2 no vetor de clonagem pENTR foram confirmadas por sequenciamento e recombinadas a dois vetores de levedura (pDEST-22 e pDEST-32). Esses procedimentos visam à execução de ensaios de duplo híbrido para verificar se as proteínas NodD1 e NodD2 são capazes de formar heterodímeros funcionais. / The process of Biological Nitrogen Fixation (BNF) in the symbiosis between soybean and diazotrophic bacteria occurs in the nodule. There is a constant communication in this association. Plant exudates are perceived by the bacteria that produce lipo-chito-oligosaccharides (LCOs), called Nod Factors (NF), signaling molecules in nodulation. These NFs are product of bacterial nod genes activity. Transcription Factors (TFs) are encoded by regulatory nod genes, responsible for structural nod genes regulation. These structural nod genes encode enzymes for NFs biosynthesis. TF NodD acts in the promoter region of nod genes and binds to specific conserved sequences, called nod boxes. The Bradyrhizobium elkanii SEMIA 587 regulatory nod genes nodD1 and nodD2 are involved in this communication. B. elkanii are diazotroph gram-negative bacteria used commercially as inoculants source in agriculture, due to the efficiency of the BNF process in the symbiosis, which justifies the interest regarding this interaction. NodD1 and NodD2 proteins are synthesized by nodD1 and nodD2 and display contrary actions in the model strain B. diazoefficiens USDA 110. While NodD1 acts as a positive transcriptional regulator of nod operons and regulates its own transcription, NodD2 acts as a negative regulator of these operons. These proteins roles in B. elkanii SEMIA 587 aroused the interest of investigating, in order to test whether they have similar functions to those demonstrated in the model strain. Therefore, the goal of this work was to contribute, through the application of different methodologies, to a better understanding regarding nod genes regulation in B. elkanii SEMIA 587. B. elkanii SEMIA 587 nodD1 and nodD2 coding sequences were cloned into pGEM and pGEX-4T-2 vectors. The recombinant proteins were expressed in Escherichia coli BL21 in the order to carry out gel retardation experiments to verify purified proteins binding to the nod boxes identified in nod promoters, as well as the efficiency of each binding. The expressed proteins in E. coli were visualized by SDS-PAGE and are undergoing purification. Subsequent cloning was realized with the Gateway® system for nodD1 and nodD2 insertion into pENTR vector. The constructs were confirmed by sequencing and recombined to yeast vectors (pDEST-22 and pDEST-32).These procedures aim to perform two-hybrid assays to verify if NodD1 and NodD2 are capable of forming functional heterodimers.

A Fixação Biológica de Nitrogênio (FBN), processo no qual o nitrogênio atmosférico é convertido à amonia, é muito bem estabelecida entre bactérias diazotróficas coletivamente chamadas de rizóbios e espécies leguminosas. No Brasil, esse tipo de associação (simbiótica) supre totalmente a necessidade de nitrogênio na cultura da soja. Para que a infecção seja efetiva e possa resultar na formação de um nódulo capaz de sustentar o processo de FBN conduzido pelo bacterioide, o rizóbio necessita, previamente, reconhecer e responder à presença das raízes da planta compatível. As associações simbióticas entre rizóbios e plantas leguminosas são altamente específicas, de forma que cada espécie, ou até mesmo estirpe de rizóbio, possui uma gama definida de plantas às quais está apto a se associar, e vice-versa. A principal função dos produtos dos genes de nodulação (nod) é garantir a troca de sinais entre os dois organismos envolvidos na relação simbiótica, onde os produtos dos genes nod regulatórios atuam no controle da expressão de genes nod estruturais. A expressão de genes nod estruturais, via de regra, não ocorre de forma autônoma nos micro-organismos simbiontes do gênero Bradyrhizobium, requerendo assim a presença de moléculas sinalizadoras secretadas pelas raízes das plantas (predominantemente flavonoides) e ativadores transcricionais do tipo-LysR – as proteínas NodD regulatórias. Neste contexto, motivos específicos das proteínas NodD ligam-se a sequências conservadas na região promotora do operon nod, conhecidas como nod boxes, mediando a transcrição dos genes nod. Aparentemente, este sistema regulatório envolvendo as proteínas NodD está presente na maioria das estirpes de Rhizobium, Bradyrhizobium e Azorhizobium, sugerindo um mecanismo geral de controle da nodulação. Em B. diazoefficiens, duas proteínas NodD foram identificadas, com funções e padrões de expressão distintos: NodD1, ativador da transcrição dos genes nod responsivo aos flavonoides liberados pelas raízes das plantas, e NodD2, com ação contrária, atuando como repressor da transcrição desses genes. Enquanto existe uma quantidade relativamente grande de conhecimento em relação à genética e aos mecanismos moleculares que regulam a expressão dos genes envolvidos na nodulação de B. diazoefficiens, incluindo a sequência completa de seu genoma, informações sobre a genética de B. elkanii ainda são relativamente escassas, mesmo que existam alguns dados genômicos disponíveis. Neste trabalho, sequências genômicas de seis linhagens de B. elkanii foram comparadas com o genoma da linhagem de referência B. diazoefficiens USDA 110 com o objetivo de elucidar mecanismos envolvidos na expressão dos genes nod, especialmente aqueles relacionados ao operon e ao regulon nod. Os resultados obtidos permitiram acrescentar aspectos importantes no modelo de regulação apresentado para a linhagem de referência e que pode ser estendido para linhagens de B. elkanii. / The Biological Nitrogen Fixation (BNF), process in which atmospheric nitrogen is converted to ammonia, is well established among diazotrophs collectively called rhizobia and legume species. In Brazil, this type of symbiotic association fully meets the need for nitrogen in soybean crop. To infection be effective and result in the formation of a nodule able to sustain the BNF process lead by the bacterioid, the rhizobia need previously to recognize and respond to the presence of the root of a compatible plant. The symbiotic associations between rhizobia and leguminous plants are highly specific, so that each species or even strain of rhizobia has a defined range of plants to which it is able to associate, and vice-versa. The main function of the products of nodulation (nod) genes is to guarantee the exchange of signals between the two organisms involved in the symbiotic relationship, where the products of regulatory nod genes act to control the expression of structural nod genes. The expression of structural nod genes usually does not occur independently in the symbiotic microorganisms of the Bradyrhizobium genus, thus requiring the presence of signalling molecules secreted by plant roots (predominantly flavonoids) and transcriptional activators – the LysR-type regulatory NodD proteins. In this context, NodD proteins bind to specific motifs of conserved sequences in the promoter region of the nod operon, known as nod boxes, mediating transcription of the nod genes. Apparently, this regulatory system involving NodD proteins is present in most strains of Rhizobium, Bradyrhizobium and Azorhizobium, suggesting a general mechanism of nodulation control. In B. diazoefficiens two NodD proteins were identified with distinct functions and expression patterns: NodD1, a flavonoid responsive transcriptional activator of nod genes, and NodD2 with counteraction, acting as a transcriptional repressor of these genes. While there is a relatively large amount of knowledge about the genetics and molecular mechanisms that regulate the expression of genes involved in B. diazoefficiens nodulation, including the complete sequence of its genome, genetic information concerning B. elkanii is still relatively sparse, even if there are some available genomic data. In this study, genomic sequences of six strains of B. elkanii were compared with the genome of the reference strain B. diazoefficiens USDA 110 in order to elucidate mechanisms involved in the expression of nod genes, especially those related to the nod operon and the nod regulon. The results obtained allowed to add important aspects in the regulatory model presented to the reference strain and that could be extended to strains of B. elkanii.

Os inoculantes contendo microrganismos fixadores de nitrogênio promovem uma grande economia nos sistemas agrícolas em adubação nitrogenada. Para que os produtos inoculantes cheguem ao mercado apresentando os atributos mínimos exigidos pela legislação, faz-se necessário um eficiente controle de qualidade. Neste sentido, este trabalho objetivou comparar as metodologias de análise de inoculantes para leguminosas e desenvolver novas metodologias para serem usadas em controle de qualidade de produtos inoculantes para gramíneas. Para tanto, analisaram-se 12 amostras de inoculantes para leguminosas - sete líquidos e cinco turfosos - e uma amostra de inoculante para gramíneas. Foram comparadas com a legislação as metodologias de diluição seriada por meio de diferentes tipos de diluentes e formas de agitação dos tubos, e diferentes métodos de inoculação em placa. Também foi analisada a sobrevivência dos microrganismos inoculados em semente de soja e milho até 96h após a inoculação, e a utilização de esferas de vidro como alternativa às sementes de soja para ser utilizadas em testes de sobrevivência. O tempo de 10s em vórtex mostrou-se mais vantajoso para ser utilizado na metodologia de diluição seriada. Não houve variação significativa entre os diluentes utilizados, logo, a água destilada mostra-se como alternativa mais prática. A técnica de gota apresentou-se como mais eficiente, devido à ausência de diferença entre os métodos de inoculação. As esferas de vidro e as sementes de soja não representaram diferença real no número de células viáveis recuperadas. Observou-se uma queda no número de bactérias inoculadas em sementes de soja e milho após 6h de armazenamento. Desse modo, as metodologias de diluição seriada, inoculação em placa e análise de sementes inoculadas podem ser otimizadas para o controle de qualidade de inoculantes, tornando os procedimentos laboratoriais mais práticos para o operador. / Inoculants containing N-fixer microorganisms generate huge economy for agricultural systems with nitrogen fertilization. In order to make inoculant products reach the market with the minimum attributes established in legislative determination, it is necessary to perform a good quality control. Therefore, this study aimed to compare methods of analysis of legume inoculants and to develop new methods that can be applied in the quality control of grasses inoculant products. Accordingly, 12 samples of legume inoculants were analyzed – seven liquid and five peaty – along with one sample of grass inoculant. The serial dilution methods were compared to those determined by the legislature, using different types of diluent, tube agitation, and plate inoculation methods. It was also evaluated the survival rate of microorganisms inoculated in soy and corn seeds up to 96h after inoculation, and the use of glass spheres as an alternative for soy seeds in survival tests. Using a vortex for 10s showed the most gainful results for use in serial dilution methods. There was no significant variation between the diluents used, so the distilled water was considered the most convenient alternative. The drop plate technique was the most efficient due to the lack of difference between inoculation methods. The glass spheres and soy seeds did not show actual difference in number of viable cells recovered. There was a reduction in number of bacteria inoculated in soy and corn seeds after 6h of storage. As a result, the methods for serial dilution, plate inoculation, and evaluation of inoculated seeds can be optimized for quality control of inoculants, allowing more convenient laboratory procedures for the operators.

Os inoculantes contendo microrganismos fixadores de nitrogênio promovem uma grande economia nos sistemas agrícolas em adubação nitrogenada. Para que os produtos inoculantes cheguem ao mercado apresentando os atributos mínimos exigidos pela legislação, faz-se necessário um eficiente controle de qualidade. Neste sentido, este trabalho objetivou comparar as metodologias de análise de inoculantes para leguminosas e desenvolver novas metodologias para serem usadas em controle de qualidade de produtos inoculantes para gramíneas. Para tanto, analisaram-se 12 amostras de inoculantes para leguminosas - sete líquidos e cinco turfosos - e uma amostra de inoculante para gramíneas. Foram comparadas com a legislação as metodologias de diluição seriada por meio de diferentes tipos de diluentes e formas de agitação dos tubos, e diferentes métodos de inoculação em placa. Também foi analisada a sobrevivência dos microrganismos inoculados em semente de soja e milho até 96h após a inoculação, e a utilização de esferas de vidro como alternativa às sementes de soja para ser utilizadas em testes de sobrevivência. O tempo de 10s em vórtex mostrou-se mais vantajoso para ser utilizado na metodologia de diluição seriada. Não houve variação significativa entre os diluentes utilizados, logo, a água destilada mostra-se como alternativa mais prática. A técnica de gota apresentou-se como mais eficiente, devido à ausência de diferença entre os métodos de inoculação. As esferas de vidro e as sementes de soja não representaram diferença real no número de células viáveis recuperadas. Observou-se uma queda no número de bactérias inoculadas em sementes de soja e milho após 6h de armazenamento. Desse modo, as metodologias de diluição seriada, inoculação em placa e análise de sementes inoculadas podem ser otimizadas para o controle de qualidade de inoculantes, tornando os procedimentos laboratoriais mais práticos para o operador. / Inoculants containing N-fixer microorganisms generate huge economy for agricultural systems with nitrogen fertilization. In order to make inoculant products reach the market with the minimum attributes established in legislative determination, it is necessary to perform a good quality control. Therefore, this study aimed to compare methods of analysis of legume inoculants and to develop new methods that can be applied in the quality control of grasses inoculant products. Accordingly, 12 samples of legume inoculants were analyzed – seven liquid and five peaty – along with one sample of grass inoculant. The serial dilution methods were compared to those determined by the legislature, using different types of diluent, tube agitation, and plate inoculation methods. It was also evaluated the survival rate of microorganisms inoculated in soy and corn seeds up to 96h after inoculation, and the use of glass spheres as an alternative for soy seeds in survival tests. Using a vortex for 10s showed the most gainful results for use in serial dilution methods. There was no significant variation between the diluents used, so the distilled water was considered the most convenient alternative. The drop plate technique was the most efficient due to the lack of difference between inoculation methods. The glass spheres and soy seeds did not show actual difference in number of viable cells recovered. There was a reduction in number of bacteria inoculated in soy and corn seeds after 6h of storage. As a result, the methods for serial dilution, plate inoculation, and evaluation of inoculated seeds can be optimized for quality control of inoculants, allowing more convenient laboratory procedures for the operators.