Bacterial quorum sensing and nitrogen cycling in rhizosphere soil
Resumo
O fotossintetizado das plantas alimenta o crescimento e a atividade microbiana limitados pelo carbono, resultando no aumento da mineralização do nitrogênio (N) da rizosfera. A maior parte do nitrogênio orgânico do solo é macromolecular (quitina, proteína, nucleotídeos); a despolimerização enzimática é provavelmente a taxa limitante para o acúmulo de nitrogênio das plantas. Analisando a Avena (aveia selvagem) plantada em microcosmos contendo solo de campo peneirado, observamos um aumento das atividades específicas de quitinase e protease da rizosfera, densidades de células bacterianas e nitrogênio orgânico dissolvido (NOD) em comparação com o solo em massa. O NOD de baixo peso molecular (MW) (<3000 Da) não era detectável no solo em geral, mas representava 15% do NOD da rizosfera. A produção de enzimas extracelulares em muitas bactérias requer sensoriamento de quorum (QS), um comportamento de grupo dependente da densidade celular. Como as proteobactérias são consideradas as principais colonizadoras da rizosfera, testamos os sinais de QS das proteobactérias N-acil-homoserina lactonas (AHLs), que aumentaram significativamente na rizosfera. Para investigar a ligação entre a sinalização do solo e a ciclagem de nitrogênio, caracterizamos 533 isolados bacterianos da rizosfera de Avena: 24% tinham atividade de quitinase ou protease e produção de AHL; a interrupção do QS em sete dos oito isolados interrompeu a atividade enzimática. Muitas alfa-proteobactérias foram encontradas recentemente com atividade enzimática extracelular controlada por QS. As atividades específicas aprimoradas das enzimas de reciclagem de nitrogênio, acompanhadas por comportamentos dependentes da densidade bacteriana no solo da rizosfera, levantam a hipótese de que o QS poderia ser um ponto de controle no complexo processo de mineralização do nitrogênio da rizosfera.
Abstract
Plant photosynthate fuels carbon-limited microbial growth and activity, resulting in increased rhizosphere nitrogen (N) mineralization. Most soil organic nitrogen is macromolecular (chitin, protein, nucleotides); enzymatic depolymerization is likely rate limiting for plant nitrogen accumulation. Analyzing Avena (wild oat) planted in microcosms containing sieved field soil, we observed increased rhizosphere chitinase and protease-specific activities, bacterial cell densities, and dissolved organic nitrogen (DON) compared with bulk soil. Low-molecular-weight (MW) DON (<3000 Da) was undetectable in bulk soil but comprised 15% of rhizosphere DON. Extracellular enzyme production in many bacteria requires quorum sensing (QS), cell-density-dependent group behavior. Because proteobacteria are considered major rhizosphere colonizers, we assayed the proteobacterial QS signals N-acyl-homoserine lactones (AHLs), which were significantly increased in the rhizosphere. To investigate the linkage between soil signaling and nitrogen cycling, we characterized 533 bacterial isolates from Avena rhizosphere: 24% had chitinase or protease activity and AHL production; disruption of QS in seven of eight isolates disrupted enzyme activity. Many Alphaproteobacteria were newly found with QS-controlled extracellular enzyme activity. Enhanced specific activities of nitrogen-cycling enzymes accompanied by bacterial density-dependent behaviors in rhizosphere soil gives rise to the hypothesis that QS could be a control point in the complex process of rhizosphere nitrogen mineralization.
K. M. DeAngelis
S. E. Lindow
M. K. Firestone
2008 - FEMS Microbiology Ecology
