Expression of the nifH gene in diazotrophic bacteria in Eucalyptus urograndis plantations

Abstract

A large proportion of eucalypt plantations in Brazil are located in areas with low soil fertility. The actions of microorganisms are of great importance for the cycling of nutrients, including nitrogen (N), that are essential for plant metabolism. Denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) was used to monitor and identify the total and active microorganisms involved in the N cycle in both the soil and root systems of a forest of Eucalyptus urograndis with sections that were fertilized with N or unfertilized. Quantitative real-time PCR was used to examine the expression of the nifH gene in N-fixing bacteria present in both the soil and root systems. According to the DGGE analysis, in the total and active populations of N-fixing bacteria, the presence and expression of the nifH gene were influenced by the winter and summer seasons and (or) N fertilization, respectively. DGGE band sequencing from total DNA samples showed that the most abundant group of diazotrophic bacteria belonged to Alphaproteobacteria in both the soil and root systems. Quantitative real-time PCR revealed that nifH expression was higher in the soil samples, especially in those that did not receive N fertilization. The differences in the composition of the total and active diazotrophic populations highlight the importance of evaluating the active populations, because they are effectively responsible for the biogeochemical transformation of N and also control its' availability to plants.

Une grande partie des plantations brésiliennes d'eucalyptus sont situées sur des sites peu fertiles. L'action des microorganismes est d'une grande importance dans le recyclage des nutriments, incluant l'azote (N) qui est essentiel au métabolisme des plantes. La technique de DGGE a été employée pour effectuer le suivi et identifier la quantité de microorganismes totaux et actifs impliqués dans le recyclage de N à la fois dans le sol et les systèmes racinaires d'une forêt d'Eucalyptus urograndis comprenant des sections fertilisées à l'azote et d'autres pas. La PCR quantitative en temps réel a été utilisée pour examiner l'expression du gène nifH dans les bactéries fixatrices d'azote présentes à la fois dans le sol et les systèmes racinaires. Selon l'analyse DGGE, chez les populations totales et actives de bactéries fixatrices d'azote, la présence et l'expression du gène nifH étaient respectivement influencées par les saisons hivernale et estivale et/ou par la fertilisation azotée. Le séquençage des bandes de DGGE à partir d'échantillons d'ADN total a démontré que le groupe le plus abondant de bactéries diazotrophiques appartenait aux Alphaprotéobactéries, à la fois dans le sol et les systèmes racinaires. Le PCR quantitatif en temps réel a révélé que l'expression des gènes nifH était plus élevée dans les échantillons de sol, et spécialement dans ceux qui n'avaient pas été fertilisés à l'azote. Les différences dans la composition des populations diazotrophiques totales et actives soulignent l'importance d'évaluer les populations actives puisqu'elles sont effectivement responsables de la transformation biogéochimique de l'azote et qu'elles contrôlent sa disponibilité pour les plantes. [Traduit par la Rédaction].