lnu.sePublications
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
The effect of exogenous carbohydrates on nitrogen fixation and hetR expression in Nostoc PCC 9229 forming symbiosis with Gunnera.
University of Kalmar, School of Pure and Applied Natural Sciences.
University of Kalmar, School of Pure and Applied Natural Sciences.
2000 (English)In: Symbiosis, ISSN 0334-5114, Vol. 28, p. 63-76Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

The cyanobacterium Nostoc PCC 9229 forms an intracellular nitrogen-fixing symbiosis with the angiosperm Gunnera. In symbiosis the cyanobacterium is enclosed in darkness and receives carbon from the plant in an unknown form. Out of five putative plant carbohydrate sources tested in vitro, fructose and glucose were found to support nitrogen fixation in darkness. The other three dextrin, sucrose and Gunnera sp. mucilage could not induce nitrogenase activity in darkness. The stimulatory effect by fructose was also observed in illuminated samples. After four weeks incubation in darkness, nitrogenase was still active in cultures when fructose was added and multiple thick-walled nitrogen-fixing cells (heterocysts) were observed, and chlorophyll levels unchanged. The expression as shown by Northern blot analysis revealed that fructose influenced the gene expression of hetR, a gene necessary for heterocyst formation, in darkness. Fructose and glucose may therefore be the carbohydrates supplied by the host plant to induce heterocyst differentiation and nitrogen fixation in the cyanobiont Nostoc PCC 9229.

Place, publisher, year, edition, pages
2000. Vol. 28, p. 63-76
Keyword [en]
Nostoc, Symbiosis, Nitrogen fixation, Heterocyst, Differentiation, Gene expression, Carbohydrate, Metabolism, Cyanobacteria, Bacteria, Angiospermae, Spermatophyta, Vegetal microorganism relation
National Category
Botany
Research subject
Natural Science, Cell and Organism Biology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:hik:diva-656OAI: oai:DiVA.org:hik-656DiVA, id: diva2:1914
Available from: 2008-01-30 Created: 2009-09-17 Last updated: 2010-03-09Bibliographically approved
In thesis
1. Hetrocystous cyanobacteria living within symbiosomes: genetic and physiological aspects
Open this publication in new window or tab >>Hetrocystous cyanobacteria living within symbiosomes: genetic and physiological aspects
2005 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other scientific)
Abstract [en]

The objective of the thesis was to get a deeper genetic and physiological insight into the two heterocystous cyanobacterial species known today to live within symbiosomes: the marine cyanobacterium Richelia and the terrestrial cyanobacterium Nostoc. Symbiosomes are organelle-like structures formed by algal and plant hosts that accommodate symbiotic microbes inside their cellular compartment. Both cyanobacterial species are contained in photosynthesizing hosts, however while Richelia forms a symbioses with unicellular diatoms (algae), Nostoc is hosted by multi-cellular higher plants, among them species of the angiosperm genus Gunnera. Special emphasis was on the Nostoc-angiosperm symbiosis as it can be reconstituted in vitro. Phylogenetic analysis using the hetR gene showed Richelia and Nostoc to be separate lineages in the cyanobacterial genetic radiation, hence, symbiosome structures in conjunction with heterocystous cyanobacteria have evolved at least twice. In contrast to the Nostoc-angiosperm symbiosis, the Richelia-diatom symbiosis has a distinct species to host specificity and is possibly evolving towards a permanent organelle. Similar to Richelia, Nostoc is known as epiphytic or endophytic on its host, Nostoc is in addition occurring as free-living, it is speculated that the epiphytic character is a key to how cyanobiont symbiosomes may have evolved. Although the genetic cyanobiont specificity is lower and the genetic diversity is higher in the Nostoc-angiosperm symbiosis, the isolation of the infection process expressed cgt gene shows that there are regions in the Nostoc genome that are, although not unique to symbiosis forming strain, regions that are typical for symbiosis forming strains. Hexoses are shown to be carbohydrates that induce cellular responses such as heterocyst differentiation and nitrogen fixation in the symbiotically competent Nostoc PCC 9229 when contained in darkness. The data suggest that a hexose-type compound is likely to be supplied by the angiosperm host to the cyanobiont living in darkness in return for the fixed nitrogen. Other carbohydrates were shown to support cell survival. Two key metabolic genes, coding for the enzymes, sucrose synthase and glutamine synthetase were isolaled from the host: Gunnera, neither gene showed an altered expression pattern by the presence of Nostoc inside the tissue. It is speculated that once the Nostoc symbiosome is established, Nostoc is perceived as a pseudo-plastid by its host and that nitrogen fixation and other cellular processes are intimately controlled by Gunnera. This is possible as Nostoc and plastids are genetically related and cyanobacterial genes and metabolic pathways are present in all plants.

Abstract [sv]

Cyanobakterier är en typ av organismer som kan fotosyntetisera och som är genetiskt besläktade med växtcellens kloroplaster. Både Richelia och Nostoc hör till en typ av cyanobakterier som både kan fotosyntetisera och fixera atmosfäriskt kväve. Båda cyanobakterie arterna är filamentösa, multicellulära och har specialiserade celler, heterocyster, vari kvävefixering äger rum. Richelia förekommer i tropisk näringsfattig marin miljö där den finns som epifyt eller endocellulär i symbios med diatomer. Nostoc är liksom Richelia en mycket vanlig heterocyst-försedd cyanobakterie och förekommer i de flesta miljöer. Den är mycket vanlig i terrester miljö där den i motsats till Richelia även påträffas som frilevande. Nostoc bildar kvävefixerande symbioser med ett stort antal organismer och bildar en intracellulär symbios med blomväxten Gunnera.

En symbiosome är en cellulär växtstruktur som bildas runt bakterier som är inkapslade i värdväxtens celler. Bakterierna är på så sätt omgivna av ett cellmembran som omger växtcellens cytoplasma. I den endocellulära Richelia-diatom symbiosen är de vegetativa

Richelia cellerna omgivna av den encelliga värdorganismen, heterocysten är däremot endast innesluten i värdens extracellulära cellvägg. I Nostoc-Gunnera symbiosen är samtliga cyanobakterie celltyper inneslutna i de bildade symbiosomerna. I Gunnera sker en upprepad infektions-process och symbiotiska vävnader bildas i växtens stam som innehållande cyanobakterie-symbiosomer.

Syftet med avhandlingen var att få en djupare genetisk och fysiologisk inblick i de två heterocyst försedda cyanobakterie symbioserna. I studien visas att Richelia och Nostoc inte är närstående arter utan att cyanobakterie-symbiosomen har evolverat minst två gånger. Vidare visas att Richelia symbiosomerna har en mycket hög specificiteten då olika Richelia stammar förekommer i olika diatom arter (artikel I).

Det är sedan tidigare känt att ett mycket stort antal Nostoc stammar kan bilda symbios med Gunnera och den genetiska specificiteten är i motsats till i Richelia symbiosen således låg. I en infektionsprocess studie (artikel II) isoleras en Nostoc gen. En speciell genetisk region runt denna gen visar sig förekomma hos samtliga Nostoc stammar som bildar symbios. Den genetiska regionen är den första regionen som visats vara gemensam om än ej unik för symbios bildande Nostoc stammar.

I motsats till Richelia befinner sig Nostoc i mörker i Gunnera symbiosen. Nostoc är således beroende av de kolhydrater som värdväxten tillhandahåller för kvävefixering och respiration. Genom att odla frilevande Nostoc kulturer i mörker identifieras en typ av monosakarider (glucos och fruktos) som möjliga sockerarter för växten att förse Nostoc med, för att i sin tur erhålla fixerat kväve (artikel III). Genom att odla frilevande kulturer på sådant sätt erhölls även en ökad frekvens av heterocyster, denna ökning sker också i symbiosen. Vidare visas att andra sockerarter som är vanligt förekommande i växter och ej genererar kvävefixering, kan användas för att hålla Nostoc vid liv.

Genom att isolera två Gunnera gener undersöks hur växten uppfattar cyanobakterien. Det visas att inga större skillnader i uttrycksnivå av dessa två gener kan påvisas i infekterade jämfört med icke infekterade växt-stamceller (artikel IV). En hypotes framlägges i avhandlingen att växten kontrollerar cyanobakterie-symbiosomen på samma sätt som den kontrollerar sin cell organell, amyloplasten. Detta är möjligt då denna typ av plastider förekommer rikligt i angränsande celler och regleras av växten på ett ursprungligen cyanobakterielt sätt.

Således skulle Nostoc kunna uppfattas som en plastid av värden även om den inte är en sådan. Begreppet pseudo-plastid introduceras i Nostoc-Gunnera symbiosen. Richelia-symbiosomen kan å sin sida tänkas vara ett permanent tillstånd som evolverar mot en ny typ av cyanobakterie organell.

Series
Dissertation series / University of Kalmar, Faculty of Natural Science, ISSN 1650-2779 ; 20
National Category
Microbiology
Identifiers
urn:nbn:se:hik:diva-81 (URN)91-89584-42-2 (ISBN)
Public defence
2005-04-27, A137, Landgången 4, Kalmar, 10:00
Opponent
Supervisors
Available from: 2008-01-30 Created: 2008-01-30 Last updated: 2010-03-09

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

By organisation
School of Pure and Applied Natural Sciences
Botany

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 178 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf