Molecular factors and genetic differences defining symbiotic phenotypes of Galega spp. and Neorhizobium galegae strains

Nitrogen is an indispensable element for plants and animals to be able to synthesise essential biological compounds such as amino acids and nucleotides. Although there is plenty of nitrogen in the form of nitrogen gas (N2) in the Earth s atmosphere, it is not readily available to plants but needs to be converted (fixed) into ammonia before it can be utilised. Nitrogen-fixing bacteria living freely in the soil or in symbiotic association with legume plants, fix N2 into ammonia used by the plants. This is known as biological nitrogen fixation (BNF). In contrast to industrial nitrogen fixation, an energy-demanding process using high temperature and pressure to produce chemical fertilizers, BNF makes use of solar energy alone to complete the same reaction. However, the requirements on compatibility of plants and nitrogen-fixing micro-organism, the rate of conversion and the ability of the micro-organisms to survive in stressful environments are limiting factors of this system. The current demand for more sustainable food production makes BNF an attractive alternative. However, optimization of existing BNF systems as well as development of new highly productive ones is necessary, to be able to replace the use of chemical fertilisers. In order to develop new alternatives, we need to gain more knowledge on the requirements set by both plants and micro-organisms for successful and efficient nitrogen fixation to occur. In this thesis, the nitrogen-fixing legume host Galega (goat s rue) and its symbiotic microbial partner Neorhizobium galegae were used as a model system to investigate the features defining good symbiotic nitrogen fixation. Studies of genetic diversity within the host plant showed that there are genetic traits making a distinction between the two species G. orientalis and G. officinalis, both at a whole-genome level and at the level of specific symbiosis-related genes. Genome sequencing of ten strains of N. galegae provided a useful dataset for studying i) the
Växter och djur är beroende av kväve för att kunna syntetisera nödvändiga biologiska föreningar så som aminosyror och nukleotider. Även om det finns ett överflöd av kvävgas i atmosfären, kan växter inte använda sig av kvävgasen som sådan, utan den måste först omvandlas (fixeras) till ammoniak. Kvävefixerande bakterier har en naturlig förmåga att fixera kvävgas till fördel för växterna. Det här fenomenet kallas biologisk kvävefixering. Bakterierna kan antingen vara frilevande eller leva i symbios med baljväxter. I motsats till industriell kvävefixering, en energikrävande process som är beroende av hög temperatur och högt tryck för att binda kväve i kvävegödsel, utnyttjar biologisk kvävefixering enbart solenergi för samma reaktion. Biologisk kvävefixering begränsas å andra sidan av krav på kompatibilitet mellan värdväxter och kvävefixerande mikroorganismer, effektiviteten av kvävefixeringen samt mikroorganismernas förmåga att överleva under krävande förhållanden. Den rådande efterfrågan på mer hållbara sätt att producera mat för jordens befolkning gör biologisk kvävefixering ett attraktivt alternativ. För att kunna ersätta använding av industriellt kvävegödsel krävs ändå att existerande biologiska kvävefixeringssystem optimeras och att nya högproduktiva system utvecklas. Detta å sin sida förutsätter förbättrad kunskap om de krav som både växter och mikroorganismer ställer för att en lyckad, effektiv kvävefixering ska vara möjlig. I denna avhandling användes som modellsystem växt bakterie paret Galega (getärt) och Neorhizobium galegae, som ingår kvävefixerande symbios med varandra, för att studera särdrag som är kännetecknande för en lyckad symbiotisk kvävefixering. Studier av den genetiska diversiteten inom värdväxten visade att genetiska drag skiljer de två arterna G. orientalis och G. officinalis åt, både då hela genomet beaktas och på ett plan av specifika symbiosrelaterade gener. Genomsekvensering av tio stammar av N. galegae tillhandahöll ett användbart dataset f