Diversity and Phylogeny of Root Nodule Bacteria Isolated from Tree, Shrub and Food Legumes of Ethiopia

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-10-9395-1
Title: Diversity and Phylogeny of Root Nodule Bacteria Isolated from Tree, Shrub and Food Legumes of Ethiopia
Author: Aserse, Aregu Amsalu
Other contributor: Helsingin yliopisto, maatalous-metsätieteellinen tiedekunta, elintarvike- ja ympäristötieteiden laitos
Helsingfors universitet, agrikultur-forstvetenskapliga fakulteten, institutionen för livsmedels- och miljövetenskaper
University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Food and Environmental Sciences, Division of Microbiology and Biotechnology
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2013-11-21
Language: en
URI: http://hdl.handle.net/10138/41711
http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-10-9395-1
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Nitrogen is one of the major essential nutrients for plant growth along with phosphorus and potassium. Some specialized bacterial and archaeal species are able to fix atmospheric N2 into NH3, and that is subsequently converted into plant usable form of nitrogen, NH4+ or NO3-. The biological nitrogen fixation (BNF) process that occurs by the symbiotic interaction of leguminous plants and certain bacterial species (commonly known as rhizobia) is the main source of biological nitrogen input into the soil and therefore plays an important role in maintaining the sustainability of ecosystem services. Due to the fixed N they get from symbiosis, legume species grow better than other plants in nutrient poor, degraded soils. Thereby leguminous trees and shrubs restore degraded farmland and soil fertility by increasing the content of nitrogen and organic carbon in the soil. The versatile leguminous trees and shrubs, such as Erythrina brucei, Crotalaria spp., and Indigofera spp., can be used as forage for cattle and applied as intercrops or fallow crops in low-input agriculture. The usefulness of these legumes can be boosted by inoculating them with effective symbiotic nitrogen-fixing rhizobia. The yield of food legumes such as common bean and soybean can also partly be increased through the use of efficient rhizobial inoculants. Thus, detailed information about the indigenous rhizobia nodulating local food and woody legumes is essential for selecting good inoculant strains. Therefore, this thesis deals with diversity and phylogeny of 143 bacterial isolates obtained from root nodules of E. brucei, Crotalaria spp., Indigofera spp., common bean and soybean growing in different sites in Ethiopia. Taxonomy of the root nodule bacteria was studied using multilocus sequence analyses (MLSA) of the core genes 16S rRNA, recA, rpoB, and glnII. Phylogeny of nodulation (nodA, nodC, nodK/Y) and nitrogen-fixation (nifH) genes of the rhizobia were also studied. The whole genome based AFLP fingerprinting technique was used to study the diversity of the strains within the species. Based on MLSA and AFLP fingerprinting analyses combined with nodulation test result, twenty-five strains belonging to the Rhizobium leguminosarum complex (Rhizobium phaseoli, Rhizobium etli, Rhizobium leguminosarum and a novel Rhizobium taxa) were found to be true common bean nodulating rhizobia in Ethiopia (Paper I). Fifty-six strains isolated from root nodules of E. brucei, Crotalaria spp., Indigofera spp., and soybean (Glycine max) were mainly identified as genetically very diverse slow-growing Bradyrhizobium species, being distributed into fifteen phylogenetic groups under Bradyrhizobium japonicum and Bradyrhizobium elkanii super clades. The majority of these strains represented undescribed Bradyrhizobium genospecies. Two unique lineages which most likely represent novel Ethiopian Bradyrhizobium species were discovered among the collections (Paper II). In addition to Bradyrhizobium species, a few Rhizobium species (six strains) were found to sporadically nodulate E. brucei, Indigofera spp., and common bean. Fifty-six non-symbiotic endophytic bacterial strains representing diverse Gram-negative and Gram-positive bacterial genera were also isolated from nodules of E. brucei, Crotalaria spp., Indigofera spp., soybean and common bean (Paper I, III). Among the non-symbiotic bacteria, five strains obtained from nodules of Crotalaria spp. and E. brucei represented a putative novel Rhizobium species (Paper III). Phylogenetically the nodA genes of all Ethiopian Bradyrhizobium species belonged to the cosmopolitan nodA clade III.3, which includes nodA genes from Bradyrhizobium species nodulating diverse legume hosts in sub-Saharan Africa. The nifH and nodY/K gene phylogenies of the Ethiopian Bradyrhizobium strains were generally consistent with the nodA gene phylogeny, supporting the monophyletic origin of the symbiotic genes in Bradyrhizobium (Paper II). The symbiotic gene phylogenies of Bradyrhizobium species were somewhat consistent to their housekeeping gene phylogenies. Nevertheless, the symbiotic gene phylogenies of different Rhizobium species (Paper I and III) were fairly similar regardless of their taxonomic background, suggesting that, in contrast to the core genome of the species, the symbiotic genes required for nodulation and nitrogen fixation might have a common origin in Rhizobium, indicative of horizontal gene transfer among these rhizobia. The nodulation test results showed that most rhizobial species were effective in nitrogen fixation on their respective host plants. Non-nodulating, endophytic bacterial strains representing seven genera, namely Agrobacterium, Burkholderia, Paenibacillus, Pantoea, Pseudomonas, Rhizobium and Serratia, were found to colonize nodules of Crotalaria incana and common bean when co-inoculated with symbiotic rhizobia. In addition, the majority of nodule endophytic bacterial strains and the sporadic symbionts showed several plant growth promoting activities, which indicate their potential role in improving plant growth.Typpi on fosforin ja kaliumin ohella kasvien kasvulle välttämätön ravinne. Etiopiassa ja muissa Saharan eteläpuolisissa maissa maaperän köyhtyminen on yleinen ilmiö. Typen ja muiden kasviravinteiden puute pienentää viljelykasvien ohella myös palkokasvien, kuten tarhapavun ja soijapavun satoja. Vaikka maan viljavuutta voitaisiin parantaa keinolannoitteilla, etiopialaisilla pienviljelijöillä ei aina ole varaa hankkia niitä. Tämän ekosysteemipalvelun, symbioottisen biologisen typensidonnan hyödyntäminen on edullinen ja ekologisesti kestävä keino parantaa maan viljavuutta. Palkokasvit sitovat symbioosissa juurinystyrän typpibakteereiden (ritsobit) kanssa ilmakehän typpeä kasveille ja muille eliöille käyttökelpoiseen muotoon. Typpeä sitovat palkokasvit parantavat viljelymaan rakennetta ja viljavuutta edistämällä typen ja hiilen sitoutumista maahan. Monia trooppisia palkokasvipuita ja pensaita, kuten etiopialaista Erytrhina brucei -puuta sekä Crotalaria ja Indigofera -pensaita, voidaan käyttää proteiinipitoisena karjanrehuna ja hyödyntää maan parantamisessa kasvattamalla niitä viljelykasvien lomassa (intercropping) ja kesantopelloilla. Tämän väitöskirjan tarkoituksena oli selvittää, mitkä etiopialaiselle maaperälle ominaiset ritsobilajit kykenevät muodostamaan typpeä sitovia nystyröitä paikallisiin puuvartisiin palkokasveihin (Erytrhina brucei, Crotalira spp. ja Indigofera spp.) sekä tarhapapuun (Phaseolus vulgaris) että soijapapuun (Glycine max). Tutkimusta varten eristettiin 143 bakteerikantaa Etiopian keski-, etelä- ja itäosissa kasvaneiden palkokasvien juurinystyröistä. Bakteereiden geneettistä monimuotoisuutta, systematiikkaa (taksonomia) ja kehityshistoriaa (fylogenia) tutkittiin analysoimalla niiden DNA-sormenjälkiä sekä symbioottisten ja bakteerisolun ylläpitogeenien sekvenssejä. Rhizobium phaseoli, R. etli, R. leguminosarum sekä tieteelle uusi Rhizobium-laji osoittautuivat Etiopiassa kasvavien tarhapapujen tyypillisimmiksi symbionteiksi. Puuvartisten palkokasvien ja soijapavun nystyröistä eristetyistä bakteereista 56 kantaa kuului hidaskasvuiseen Bradyrhizobium-sukuun. Ne olivat lajitaustaltaan hyvin laajakirjoisia, muodostaen 15 fylogeneettistä ryhmää. Suurin osa kannoista edusti Bradyrhizobium-lajeja, joita ei ole vielä tarkasti määritelty. Kaksi fylogeneettistä ryhmää edusti tieteelle uusia Bradyrhizobium-lajeja. Edellä mainittujen lajien lisäksi myös muutamat muut Rhizobium-lajit nystyröivät satunnaisesti E. brucei ja Indigofera -kasveja sekä tarhapapua. Bradyrhizobium-suvun bakteereilla symbioottisten, nystyrän muodostukseen ja typensidontaan liittyvien geenien fylogenia muistutti jossain määrin lajimäärityksessä käytettyjen ylläpitogeenien fylogeniaa. Eri Rhizobium-lajien keskuudessa symbioottiset geenit olivat sitä vastoin hyvin samanlaiset. On todennäköistä, että Rhizobium-lajien symbioosigeenit, jotka sijaitsevat helposti siirtyvissä plasmideissa, siirtyvät Rhizobium-lajista toiseen. Bradyrhizobium-lajeilla symbioottiset geenit sijaitsevat saarekkeina kromosomissa, jolloin niiden siirtyminen on rajoitetumpaa ja yhteydessä suurempien geenialueiden siirtymiseen bakteerista toiseen. Kaikkien tutkittujen palkokasvilajien nystyröistä eristettiin symbioottisten ritsobien ohella 56 Gram-negatiivista ja Gram-positiivista bakteeria, jotka eivät enää muodostaneet nystyröitä alkuperäisiin isäntäkasveihin. Nämä ns. endofyyttiset bakteerit kykenivät kuitenkin kolonisoimaan nystyrän sisäosia. Lisättäessä koekasveihin endofyyttisiä bakteereita yhdessä symbioottisen ritsobin kanssa sekä ritsobi että seuraaviin sukuihin kuuluvat endofyyttiset bakteerit kolonisoivat Crotalaria incana -taimien ja tarhapavun nystyröitä: Agrobacterium, Burkholderia, Paenibacillus, Pantoea, Pseudomonas, Rhizobium ja Serratia. On mahdollista, että satunnaiset symbiontit ja endofyyttiset bakteerit edistävät kasvien kasvua muullakin tavoin kuin typensidonnan kautta, sillä ko. bakteerit tuottivat yhdisteitä, joiden on todettu parantavan kasvien kasvua.
Subject: microbiology
Rights: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
diversit.pdf 1.026Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record