Genomics of Specificity in the Symbiotic Interaction between Rhizobium leguminosarum and Legumes

Jorrin Rubio, Beatriz (2016). Genomics of Specificity in the Symbiotic Interaction between Rhizobium leguminosarum and Legumes. Tesis (Doctoral), E.T.S.I. Agrónomos (UPM) [antigua denominación]. https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.43380.

Descripción

Título: Genomics of Specificity in the Symbiotic Interaction between Rhizobium leguminosarum and Legumes
Autor/es:
  • Jorrin Rubio, Beatriz
Director/es:
  • Imperial Rodenas, Juan
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 2016
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Agrónomos (UPM) [antigua denominación]
Departamento: Biotecnologia [hasta 2014]
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

For centuries legumes have been used in crop rotations to incorporate nitrogen into agricultural systems, thus avoiding the need for fertilization. This is possible because of their symbiotic interaction with specific diazotrophic soil bacteria, collectively known as rhizobia, that infect legume roots, form root nodules and fix atmospheric nitrogen into ammonia using the nitrogenase enzyme. The establishment and maintenance of this symbiotic partnership results from a molecular conversation that guarantees specificity and guides the co-development of both organisms during root nodule formation. Rhizobium leguminosarum bv. viciae is a member of the -Proteobacteria that can establish effective symbioses with members of the Fabeae legume tribe (Pisum, Lathryrus, Lens and Vicia). Previous studies have suggested that, although all R. leguminosarum bv. viciae isolates can effectively nodulate all Fabeae, different Fabeae select specific genotypes of rhizobia from those available in soil. The aim of this Thesis was to characterize the genomic, genetic and molecular bases of the selection of specific R. leguminosarum bv. viciae genotypes by different host legumes (Pisum sativum, Lens culinaris, Vicia faba and V. sativa) from a wellcharacterized agricultural soil. We established a population genomics methodology based on pooled DNA samples (Pool-Seq) from R. leguminosarum isolates obtained from different sources: legume plant hosts used as rhizobial traps (P. sativum, L. culinaris, V. sativa and V. faba), as well as the isolation of R. leguminosarum directly from soil. This approach allowed us to confirm the hypothesis that different plant hosts select specific subpopulations of rhizobia from the available population present in the soil. We also set out to characterize the indigenous R. leguminosarum soil population avoiding plant selection, in order to compare it with previously characterized hostselected subpopulations from this soil. As a side result, we uncovered a large number of previously uncharacterized, non-symbiotic rhizobia that contribute to the population pangenome. Host preference for specific genotypes was especially relevant in the case of pea plants. They selected a R. leguminosarum population significantly different from that present in the soil. Quite on the contrary, lentil and fava bean plants did not show a significant genotype selection, and their nodule rhizobial populations reflected that present in soil (after one life cycle). Vetch plants revealed a certain genotypic preference, but not as substantial or as important as that from pea plants. Given that plants can differentially select rhizobial genotypes and that viable rhizobia of those genotypes are released into soil after nodule senescence, we hypothesized that, in natural conditions after numerous cycles of selection-release, most nodules would be occupied by the preferred genotype/s in each plant. We experimentally tested this hypothesis in a mesocosm experiment aimed at mimicking these field conditions. We were able to demonstrate that the different plant hosts employed (P. sativum, L. culinaris, V. faba and V. sativa) selected different genotypes from those available in the P1 soil, and that the basis of selection was different for different plants. Pea and fava bean plants strongly selected for specific genotypes, but in different ways. Pea nodules were colonized by strains endowed with a large set of genes probably implicated in rhizospheric fitness, irrespective of the symbiotic genotype they harboured. This suggestion should be confirmed by in situ transcriptomic studies. Fava bean plants restricted their selection to a specific symbiotic genotype that was not always localized in the same symbiotic plasmid, or within the same chromosomal background. No hard conclusions could be obtained for vetch, although we suggest that this plant might behave dually, either as a selective host if a given genotype results in a rhizospheric advantage (such as in vetchB subpopulation), or as a non-selective host, with its nodules reflecting the genotypic diversity present in soil (such as in vetchA subpopulation). This last case was the situation found for lentils; none of the three subpopulations isolated from lentil nodules (initial lentil, lentilA and lentilB) differed significantly, either among themselves, regardless of the number of plant selection cycles, or with respect to the initial soil population. RESUMEN Durante siglos las leguminosas se han usado en rotación de cultivos para incorporar nitrógeno a los sistemas agrícolas y así evitar el uso de fertilizantes nitrogenados. Esto ocurre gracias a su interacción simbiótica con los rizobios, bacterias diazotróficas del suelo que infectan las raíces de las leguminosas formando nódulos y fijando nitrógeno atmosférico a amonio gracias a la enzima nitrogenasa. El establecimiento y mantenimiento de la simbiosis conlleva un diálogo molecular que garantiza la especificidad y guía el co-desarrollo de ambos organismos durante la formación del nódulo. Rhizobium leguminosarum bv. viciae es un miembro del grupo de las α-Proteobacterias que establece simbiosis con miembros la tribu Fabeae (Pisum, Lathryrus, Lens and Vicia). Estudios previos sugieren que, pese a que todos los aislamientos de R. leguminosarum bv. viciae nodulan eficientemente a todas las Fabeae, diferentes plantas seleccionan genotipos rizobianos específicos de entre los presentes en el suelo. El objetivo de esta Tesis ha sido la caracterización genómica, genética y molecular de la selección de genotipos específicos de R. leguminosarum bv. viciae por diferentes huéspedes (Pisum sativum, Lens culinaris, Vicia faba and V. sativa) a partir de un suelo agrícola bien caracterizado. Se ha desarrollado y utilizado una aproximación basada en genómica de poblaciones a partir de muestras conjuntas de ADN (Pool-Seq) de aislamientos de R. leguminosarum obtenidos a partir de leguminosas usadas como plantas trampa (P. sativum, L. culinaris, V. sativa and V. faba), así como R. leguminosarum aislados directamente del suelo. Esta metodología permitió confirmar la hipótesis de que diferentes plantas seleccionan subpoblaciones específicas de entre aquellos rizobios presentes en el suelo. Se ha caracterizado la población nativa de R. leguminosarum del suelo, evitando el paso por la planta, para comparar con las poblaciones previamente caracterizadas aisladas de los nódulos de las diferentes plantas. Adicionalmente, esto nos permitió descubrir la existencia de un gran número de rizobios no simbióticos que contribuyen al pangenoma de la población. La preferencia por genotipos rizobianos específicos fue especialmente relevante en el caso del guisante, que seleccionó una población de R. leguminosarum significativamente diferente de la del suelo. Por el contrario, las lentejas y las habas no seleccionaron genotipos específicos significativamente diferentes de los del suelo tras un ciclo de selección. Las vezas mostraron cierta preferencia por algunos genotipos, pero no tan importante como en guisantes. Dado que los rizobios viables seleccionados por la planta son liberados al suelo tras la senescencia del nódulo, se puede hipotetizar que, en condiciones naturales, tras numerosos ciclos de selección-liberación, la mayoría de los nódulos deberían estar ocupados por el/los genotipo/s preferidos por cada planta. Esta hipótesis ha sido probada experimentalmente en un experimento de mesocosmos que trata de mimetizar las condiciones de campo. Hemos podido demostrar que las diferentes plantas empleadas (P. sativum, L. culinaris, V. faba and V. sativa) seleccionan diferentes genotipos de entre los disponibles en el suelo P1, y las bases de esta selección son diferentes entre plantas. Guisantes y habas seleccionan fuertemente genotipos específicos, pero de manera opuesta. Los nódulos de guisante son colonizados por cepas que poseen un gran conjunto de genes probablemente implicados en la supervivencia en la rizosfera, independientemente del genotipo simbiótico que alberguen, aunque esto debería ser confirmado in situ por métodos transcriptómicos. Las habas restringen la selección a un determinado genotipo simbióticos que no siempre se localiza en el mismo plásmido simbiótico ni con el mismo fondo cromosómico. No se ha podido obtener ninguna conclusión final respecto a vezas, aunque sugerimos que esta planta puede actuar de manera dual, como un hospedador selectivo si el genotipo en cuestión proporciona una ventaja en la supervivencia en la rizosfera (como pasa en la subpoblación vetchB), o como un hospedador no selectivo, reflejando en los nódulos la diversidad presente en el suelo (como sucede en la subpoblación vetchA). Esta última es la situación encontrada para lentejas; ninguna de las tres subpoblaciones aisladas de nódulos de lenteja (initial lentil, lentilA and lentilB) presenta diferencias significativas entre ellas, independientemente del número de ciclos de selección por la planta, o con la población del suelo inicial.

Más información

ID de Registro: 43380
Identificador DC: http://oa.upm.es/43380/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:43380
Identificador DOI: 10.20868/UPM.thesis.43380
Depositado por: Archivo Digital UPM 2
Depositado el: 26 Sep 2016 08:55
Ultima Modificación: 22 Mar 2017 23:30
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