معلومة

7.6: تثبيت النيتروجين - علم الأحياء


تعتبر عملية تثبيت النيتروجين مهمة للحياة على الأرض ، لأن النيتروجين الموجود في الغلاف الجوي هو في النهاية مصدر الأمينات في البروتينات والحمض النووي. الإنزيم الذي يلعب دورًا مهمًا في هذه العملية يسمى نيتروجيناز ويوجد في أنواع معينة من البكتيريا اللاهوائية تسمى ديازوتروف. توفر العلاقات التكافلية بين بعض النباتات (البقوليات ، على سبيل المثال) والبكتيريا المثبتة للنيتروجين للنباتات إمكانية الوصول إلى النيتروجين المنخفض. تفاعل الاختزال الكلي المحفز بواسطة النيتروجين هو

[ text {N} _2 + 6 text {H} ^ + + 6 text {e} ^ - rightarrow 2 text {NH} _3 ]

في هذه التفاعلات ، يكون التحلل المائي لـ 16 ATP مطلوبًا. يمكن استيعاب الأمونيا في الغلوتامات وجزيئات أخرى. الإنزيمات التي تؤدي عملية تحفيز النيتروجين شديدة التأثر بالأكسجين ويجب أن تبقى خالية منه. ولهذا السبب فإن معظم البكتيريا المثبتة للنيتروجين لا هوائية. تحدث حركة الأمينات عبر الأنظمة البيولوجية إلى حد كبير عن طريق عملية الترانسبين ، التي تمت مناقشتها أدناه في استقلاب الأحماض الأمينية.


علم البيئة الميكروبية

في ثلاثة عشر فصلاً موجزة وفي الوقت المناسب ، علم البيئة الميكروبية يقدم لمحة عامة عن هذا المجال سريع النمو ، موضحًا المبادئ الأساسية بطريقة سهلة المتابعة. باستخدام نهج تكاملي ، فإنه يغطي بشكل شامل القضايا التقليدية في علم البيئة وكذلك المحتوى المتطور عند تقاطع علم البيئة وعلم الأحياء الدقيقة والعلوم والهندسة البيئية والبيولوجيا الجزيئية.

بدراسة الخصائص الميكروبية التي تمكن الميكروبات من النمو في بيئات مختلفة ، يقدم الكتاب رؤى حول المنهجيات ذات الصلة لتوصيف الكائنات الحية الدقيقة في البيئة. يعتمد المؤلفون على خبرتهم الواسعة في تدريس علم الأحياء الدقيقة لمعالجة أحدث الموضوعات الساخنة في هذا المجال ، مثل:

  • إيكولوجيا الكائنات الحية الدقيقة في البيئات الطبيعية والمهندسة
  • التقدم في الفهم الجزيئي للتطور والتفاعلات الميكروبية
  • العمليات والتفاعلات البيوجيوكيميائية المدفوعة بالميكروبات بين التجمعات والمجتمعات الميكروبية
  • الأنشطة الميكروبية في البيئات المتطرفة أو غير العادية
  • الدراسات البيئية المتعلقة بميكروبيولوجيا الحيوان والنبات والحشرات
  • العمليات والتفاعلات الميكروبية المرتبطة بالتلوث البيئي

مصممة للاستخدام في التدريس ، علم البيئة الميكروبية يقدم العديد من الميزات الخاصة لمساعدة كل من الطلاب والمدرسين ، بما في ذلك:

  • مربعات المعلومات التي تسلط الضوء على القضايا البيئية الميكروبية الرئيسية
  • "أضواء كاشفة ميكروبية" تركز على كيفية اهتمام علماء البيئة الميكروبيين البارزين بالبيئة الميكروبية
  • أمثلة توضح دور التفاعل البكتيري مع البشر
  • تمارين لتعزيز التفكير النقدي
  • قوائم القراءة المختارة
  • ملخصات الفصل وأسئلة المراجعة للمناقشة الصفية

يتم عرض التفاعلات الميكروبية المختلفة وهياكل المجتمع من خلال الأمثلة والرسوم التوضيحية. يتم أيضًا تضمين دراسات الحالة المصغرة التي تتناول أنشطة الكائنات الحية الدقيقة في بيئات محددة ، بالإضافة إلى مسرد المصطلحات والكلمات الرئيسية. كل هذه الميزات تجعل هذا الكتاب المدرسي مثاليًا للخريجين أو طلاب المرحلة الجامعية العليا في علم الأحياء أو علم الأحياء الدقيقة أو علم البيئة أو العلوم البيئية. كما أنه يمثل مرجعًا مفيدًا للغاية للعلماء والمهنيين البيئيين.

شرائح باوربوينت لأشكال من الكتاب متاحة للتنزيل على: ftp://ftp.wiley.com/public/sci_tech_med/microbial_ecology


الملخص

تُعرف العديد من البكتيريا المفيدة التي تستعمر جذور النباتات وتسهل نمو النبات للتخفيف من الإجهاد الناجم عن العديد من العوامل الحيوية وغير الحيوية من خلال آليات مباشرة وغير مباشرة باسم البكتيريا الجذرية المعززة لنمو النبات (PGPR). يتم التعرف على PGPRs كأسمدة حيوية فعالة وعوامل المكافحة الحيوية والتلقيح الميكروبي. بالنظر إلى الفوائد المحتملة لـ PGPRs في جهود الدراسة الحالية التي بذلت لعزل البكتيريا الجذرية وفحصها وتوصيفها من عينات التربة التي تم جمعها من منطقة جذر البقول المختلفة. من بين سبع سلالات ، كانت ستة سلالات إيجابية الميثيل الأحمر واختبار Voges-Proskauer & # x27s إيجابي مما يشير إلى قدرتها على التخمير. أنتجت جميع السلالات السبعة باستثناء AV-1 إنزيم الكاتلاز مما يشير إلى إمكاناتها كعوامل تحكم بيولوجية واعدة. تم العثور على سلالات AV-4 و AV-7 لتكون قابلة للذوبان في الفوسفات والسلالات AV-1 و AV-2 و AV-7 كانت منتجة للحمراء. كانت سلالتان AV-3 و AV-5 تتحملان المعادن الثقيلة للزرنيخ (29.48 مجم / لتر) والباريوم (12.56 مجم / لتر) والنيكل (5.926 مجم / لتر). يمكن النظر إلى الصفات المختلفة لجميع عزلات البكتريا الجذرية AV-7 كسماد حيوي محتمل لدعم نمو وإنتاج البقوليات في التربة غير الملوثة بـ As و Ba و Ni. سيساعد هذا في دعم إنتاج البقول المستدام.


تثبيت نيتروجين الطحالب في الحقول الزراعية المعتدلة

طريقة لفحص N.2- تم استخدام النشاط الأساسي لقشور الطحالب في الحقل لتقييم تأثير التلقيح بالمزارع الرملية السائلة أو المجففة لثلاثة أنواع من الطحالب على قطع الأراضي المزروعة بالقمح الشتوي ، مع وبدون إضافة النيتروجين والري.

تم زيادة التثبيت بواسطة جميع اللقاحات ولكن الأكثر فعالية كان التطبيق السائلNostoc ellipsosporum. أنابينا سيلندريكا وNostoc Punctiforme كانت أكثر فعالية عند تطبيقها كمزارع رمال جافة. لم يكن للتلقيح أي تأثير على غلة المحاصيل.

أدى استخدام 80 كجم من النيترو-طباشير في فصل الربيع إلى تقليل تثبيت النيتروجين على قطع الأرض الملقحة بـNostoc ellipsosporum في وقت مبكر من الموسم ، ولكن يتم تحفيز التثبيت في وقت لاحق عندما تم استخدام الكثير من N المطبق بواسطة المحصول وتصفية بواسطة هطول الأمطار. كانت هذه الزيادة نتيجة في المقام الأول لظلة المحاصيل الأكثر كثافة مما قلل من جفاف سطح التربة.

قشور تجفيف الهواء منN. ellipsosporum نمت على التربة في المختبر تسبب في تحلل واسع للخلايا النباتية عند إعادة ترطيب القشور ، تليها بعد أيام قليلة زيادة كبيرة في NH4 + تركيز. كل ن2- فقد نشاط حالة. بقيت أكينات قابلة للحياة بعد الجفاف ولكن تم إعادة استعمار سطح التربة بواسطة Lyngbya والذي بدا أنه يفضله تركيز N عالي الذوبان. لوحظت تأثيرات مشابهة جدًا عندما تم تبريد القشور إلى -3 درجة مئوية. أدى التبريد إلى 0 درجة و 0.5 و -2.0 درجة مئوية إلى حدوث بعض التسرب الخلوي وانخفاض في النيتروجين2- حالة نشاط ولكن هذا استعاد بعد 2-4 أيام بمعدل يتجاوز السيطرة.

شكل الماء المستخرج من النيتروجين في قشور الطحالب غير المجهدة أقل من 2٪ من الإجمالي بينما فقد 9-35٪ من النيتروجين الكلي من الخلايا في المزرعة السائلة.


نتائج

عدد الخلايا الشبيهة بالبكتيريا وتكوينها في Isopora palifera هيكل عظمي

في جميع المستعمرات ، كانت الطبقة الخضراء موجودة في الهيكل العظمي للشعاب المرجانية تحت الأنسجة المرجانية (الشكل 1 أ) وكان هناك اختلاف كبير في أعداد الخلايا الشبيهة بالبكتيريا بين الطبقتين الخضراء والبيضاء (الشكل 1 ب). تحتوي الطبقة الخضراء على 2.55 × 10 8 خلية / جم في المتوسط ​​بينما تحتوي الطبقة البيضاء على 1.7 × 10 8 خلية / جم في المتوسط. كان هناك عدد أكبر بشكل ملحوظ من الخلايا في الطبقة الخضراء من الطبقة البيضاء ، مع وجود a ص بقيمة 0.0068 باستخدام ر test (ملف إضافي 1: الشكل S1).

هيكل عظمي Isopora palifera وأرقام الخلايا داخل الهيكل العظمي. أ كانت الطبقة الخضراء عبارة عن لون أخضر موجود باستمرار في كربونات الكالسيوم3 هيكل عظمي تحت الأنسجة في جميع مستعمرات I. palifera كانت الطبقة البيضاء عبارة عن كربونات الكالسيوم المعتادة3 هيكل عظمي بدون لون أخضر. يشير شريط المقياس إلى 1 سم. ب متوسط ​​عدد الخلايا من ثلاث مستعمرات في الطبقتين الخضراء والبيضاء. علامات مختلفة (أ, ب) تشير إلى اختلافات كبيرة في رقم الخلية عن طريق اختبار t للطالب بين الطبقات (ص = 0.0068 ، شريط الخطأ = الانحراف المعياري)

بالنسبة للتركيب البكتيري في الطبقة الخضراء ، أظهرت نتائج أمبليكون 16S ذلك كلوروبي, الحزم, كلوروفليكسي, بروتيوباكتيريا، و أكتينوباكتيريا كان متوسط ​​وفرتها النسبية في جميع مستعمرات العينات 35.24٪ (SE 12.40) و 15.54٪ (SE 8.56) و 16.58٪ (SE 7.05) و 12.10٪ (SE 4.05) و 8.29٪ (SE 2.61) على التوالي (الشكل 2 أ). بالإضافة إلى ذلك ، تنتمي OTU (OTU1) إلى كلوروبي (جنس Prosthecochloris) في جميع العينات بوفرة نسبية بين 1.16٪ (مستعمرة I) و 87.50٪ (مستعمرة G) (الشكل 2 ب وملف إضافي 1: الجدول S3). بالإضافة إلى ذلك ، لم يكن هناك اختلاف في التركيب البكتيري داخل الطبقة الخضراء على طول الأعماق التي تم جمع المستعمرات منها (ANOSIM: ص = − 0.21, ص = 0.857).

التوزيع التصنيفي البكتيري في الطبقة الخضراء من Isopora palifera. أ الوفرة النسبية لتكوين البكتيريا على أساس 16S rDNA. تشير الألوان إلى شعب بكتيري مختلف. ب خريطة الحرارة لوفرة OTU البكتيرية في المستعمرات المرجانية التسع. الألوان التي تشير إلى الشعب البكتيرية المختلفة هي نفس الشعبة البكتيرية في أ ويوجد الانتماء التصنيفي التفصيلي لـ OTUs في الملف الإضافي 1: الجدول S3. ينتمي أكثر OTU1 المهيمن إلى الجنس Prosthecochloris (السهم الأسود) وكان حاضرا في كل مستعمرة. يشير مفتاح اللون إلى الوفرة النسبية لكل OTU في كل مستعمرة

المسارات الأيضية المفترضة للميكروبات في I. palifera هيكل عظمي

وفقًا لتحليل الميتاجينوميات للطبقة الخضراء ، ساهمت البكتيريا بمعظم الجينات في كل مستعمرة (ملف إضافي 1: الجدول S4) كانت هذه الجينات في الغالب من كلوروبي في المستعمرات B و C و G و H و I (ملف إضافي 1: الشكل S2) ، والذي يمكن مقارنته بنتائج تحليل التركيب باستخدام 454 تسلسل حراري لـ 16S rDNA في المستعمرات B و C و G و H (الشكل. 2 أ). حددنا التباين في المساهمة النسبية ل كلوروبي في نهجين للتسلسل ، مع وفرة منخفضة في مستعمرات 16S rDNA A و F و I وفي مستعمرات الميتاجينوم A و E و F يمكن أن يُعزى هذا الاختلاف إلى تقنيات التسلسل المختلفة المستخدمة ودقتها.

أظهرت نتائج Metagenome أن جينات استقلاب النيتروجين في الطبقة الخضراء كانت متورطة في استيعاب النيتروجين ومسارات الاختزال لتثبيت النيتروجين ، وخفض النترات التبادلية / الاستيعابية ، ونزع النتروجين (الشكل 3 ، ملف إضافي 1: الشكل S3). ومع ذلك ، بالنسبة لمسارات الأكسدة ، يمكن تحديد المسار المتضمن فقط في النترجة. من بين الجينات المشاركة في استقلاب النيتروجين ، كانت الجينات المشاركة في تثبيت النيتروجين ، وتركيبات الجلوتامين / الجلوتامات ، وتقليل الهيدروكسيل أمين هي الأكثر شيوعًا والتي ساهمت بدورها بشكل رئيسي من قبل GSB. تنتمي البكتيريا الأخرى التي تساهم في تثبيت النيتروجين وتقليل جينات الهيدروكسيلامين إلى شركة Firmicutes ، بينما تنتمي الجينات الأخرى التي تساهم في تركيب الجلوتامين / الجلوتامات إلى أكتينوباكتيريا, الجراثيم, كلوروفليكسي, بروتيوباكتيريا، و الحزم.

المسارات المفترضة ونموذج تركيبي مقترح للبكتيريا السائدة في الطبقة الخضراء. أ أيض النيتروجين والكبريت وتثبيت الكربون المفترض في الطبقة الخضراء. تشير الأسهم الصلبة إلى المسارات التي تحتوي على جينات موجودة في الأسهم المنقطة الميتاجينوم والتي تشير إلى مسارات بها جينات غير موجودة في الميتاجينوم. تشير العلامات النجمية إلى مسارات بها جينات مرتبطة بـ GSB. تشير ألوان الأسهم إلى مسارات أيضية مختلفة. ب نموذج تخليقي لـ GSB السائد ومخفض الكبريتات في الطبقة الخضراء. GSB قادرة على الحصول على الضوء الذي يضيء في الهيكل العظمي المرجاني. أثناء عملية التمثيل الضوئي ، تحصل GSB على ثاني أكسيد الكربون2 التي تطلقها البكتيريا التي تحد من الكبريتات (SRB) وغيرها من الكائنات غيرية التغذية. بالنسبة للكربون المثبت بواسطة دورة rTCA ، يحصل GSB على كبريتيد كمانح إلكتروني ، والذي يأتي من SRB ، بينما يحصل SRB على مركبات الكبريت المؤكسدة المنبعثة من GSB. لذلك ، يوفر GSB و SRB موارد الكبريت لبعضهما البعض. قد يكون التكرار الوظيفي لتثبيت النيتروجين موجودًا في الهيكل المرجاني لأن كلا من GSB و SRB يمكنهما معالجة تثبيت النيتروجين

ركزت تحليلات الميتاجينوم على استقلاب الكبريت (الشكل 3 ، ملف إضافي 1: الشكل S4) وأظهرت أن GSB ، الحزم, كلوروفليكسي، و دلتابروتيوبكتيريا ساهمت في مسارات كاملة لخفض الكبريت الاستيعابي والمشتت. على وجه الخصوص ، ساهم GSB في جميع مسارات اختزال الكبريت المبدد ، بما في ذلك الجينات الخاصة باختزال الكبريتيت المتشتت ، واختزال APS ، و ATP sulfurylase ، التي تشارك في أكسدة الكبريتيد والكبريتيت.

تم تحديد دورة TCA العكسية الكاملة (rTCA) ومسار acetyl CoA الاختزالي ، الموجودان فقط في اللاهوائية أو الكائنات الدقيقة ، في metagenomes (الشكل 3 ، ملف إضافي 1: الشكل S5). بالنسبة للمسارين ، ساهم GSB بجميع الجينات المشاركة في دورة rTCA ، و كلوروفليكسي, أكتينوباكتيريا, نيتروسبيراي، و GSB يساهم في الجينات في التفاعلات الجزئية لمسار الأسيتيل CoA الاختزالي. على الرغم من أن GSB والبكتيريا الداخلية الأخرى تشارك أيضًا في مسار الأسيتيل المختزل CoA ، إلا أن أيا منها لم يساهم بمجموعة كاملة من الجينات لهذا المسار. لذلك ، يجب أن يكون GSB هو المساهم الرئيسي في تثبيت الكربون من خلال دورة rTCA.

كانديداتوس Prosthecochloris sp. تم استرداد جينوم A305 من خلال تجميع الجينوم

أدى التجميع المشترك لتسعة ميتاجينومات باستخدام Ray-META إلى استرداد ناجح لـ كاليفورنيا. Ptc. ص. مشروع الجينوم A305 بعد تجميع contigs المجمعة. مشروع الجينوم كاليفورنيا. Ptc. ص. كان لدى A305 75 كونتيغ وكان إجمالي طوله 2،094،032 نقطة أساس. أطول قيمة contig و N50 كانت 201178 و 55482 نقطة أساس على التوالي. كشف فحص الجودة عن تلوث منخفض (& lt 1٪) في الجينوم المستعاد واكتمال متوسط ​​إلى مرتفع (

78٪) مقدرة بواسطة CheckM. مشروع الجينوم كاليفورنيا. Ptc. ص. يحتوي A305 على 2046 جينًا ، بما في ذلك جينات ترميز البروتين لعام 2001 ، و 24 جينًا من الحمض النووي الريبي ، ومحتوى GC بنسبة 47.83 ٪.

حددت نتائج Binning أيضًا حاوية أخرى ذات اكتمال عالٍ ، الحاوية 3. ومع ذلك ، فإن هذه الحاوية لها عدم تجانس 2. فشلت إعادة التجميع في فصل هذه الحاوية إلى صناديقها الفرعية ، وهو عنق الزجاجة لخوارزميات binning لمشاركة الكائنات ذات الصلة الوثيقة بن. كانت نسختان من الرنا الريباسي 16S (واحدة كاملة و 1 جزئية) موجودة في Bin 3 والتي تم استخدامها في تحليل النشوء والتطور المستندة إلى 16S rRNA ، ولم يتم إجراء أي تحليل إضافي على هذا الصندوق.

الثقافة اللاهوائية ، والتشكل ، وتحديد الصباغ من GSB endolithic

تم الحصول على الثقافات N2 (اللون البني والأخضر) (الشكل 4 أ) و N1 (اللون الأخضر) (الشكل 4 د) من الطبقة الخضراء. نمت كلتا الثقافتين فقط في حالة الإضاءة الخافتة (ملف إضافي 1: الشكل S6). علاوة على ذلك ، تم استخدام TEM و FISH لتحديد التشكل والبنية التحتية للخلايا في الثقافة. كانت معظم الخلايا في N2 و N1 على شكل قضيب وتمتلك هياكل شبيهة بالكلوروسوم بالقرب من غشاء الخلية (الشكل 4 ب ، هـ) ، وهو الشكل النموذجي لبكتيريا الكبريت الأخضر. بالإضافة إلى ذلك ، فإن معظم الخلايا من الهيكل العظمي للطبقة الخضراء و Ptc. الضمة يحتوي DSM 260 أيضًا على هياكل شبيهة بالكلوروسوم (ملف إضافي 1: الشكل S7) ، مما أكد الفرضية القائلة بأن الخلايا في الطبقة الخضراء والثقافات لها نفس التشكل والبنية التحتية الدقيقة. علاوة على ذلك ، كشفت صور FISH لـ N2 و N1 أيضًا أن معظم الخلايا في الثقافتين كانت GSB (الشكل 4 ج ، و ، ملف إضافي 1: الشكل S8). كانت الخلايا في N2 طويلة قضيب بينما كانت خلايا N1 على شكل قضيب. في وقت لاحق ، عند تحليل طيف الامتصاص لـ N1 ، Ptc. الضمة و شل. الأصفر التي لاحظناها كانت بها قمم كبيرة في 420-430 نانومتر و 650-660 نانومتر ، مما يؤكد وجود Bchl c (ملف إضافي 1: الشكل S9a) ويدعم نتيجة تحليل الميتاجينوم (ملف إضافي 1: الشكل S9b). ومع ذلك ، كان N2 أيضًا ذروة قصوى عند 650-660 نانومتر ، لكن الذروة الرئيسية في الموجة القصيرة كانت عند 460-470 نانومتر ، مما يشير إلى وجود Bchl e.

ثقافتا GSB endolithic ومورفولوجيا خلايا GSB. N2 (أ) و N1 (د) نمت الثقافات في حالة الضوء الخافت وكانت ذات لون بني وأخضر على التوالي. ب, ه صور لأقسام رقيقة جدًا من الخلايا من ثقافتي N2 و N1 ، على التوالي ، تُرى من خلال مجهر إلكتروني ناقل. تحتوي معظم الخلايا في الثقافتين على هياكل شبيهة بالكلوروسوم (أسهم). تشير أشرطة النطاق إلى 200 نانومتر. ج, F صور تهجين مضان في الموقع لخلايا من ثقافات N2 و N1 ، على التوالي. تظهر خلايا GSB (رؤوس الأسهم) باللون الأصفر والبكتيريا الأخرى (الأسهم) باللون الأحمر. تشير أشرطة مقياس 10 ميكرومتر

التحليل الوراثي لـ GSB من الهيكل العظمي المرجاني

فيما يتعلق بالتعريف بواسطة V6-V8 لتسلسل 16S rDNA استنادًا إلى قاعدة بيانات NCBI ، كان كلا التسلسل من N2 و N1 الأقرب إلى تسلسل Prosthecochloris ص. (MF423475.1) ، مع تشابه أكثر من 98٪ و 96٪ على التوالي. على الرغم من عدم وجود جين 16S rDNA في جينوم كاليفورنيا. Ptc. ص. A305 ، كان 16S rDNA المشتق من Bin 3 تشابهًا بنسبة 99 ٪ مع OTU1 وتسلسل 16S rDNA لـ N2 (الشكل 5). على الرغم من أن N1 لم يكن هو نفسه N2 أو Bin 3 أو OTU1 ، فجميعهم قريبون من مجموعة من الشعاب المرجانية المرتبطة Prosthecochloris (CAP) ، بما في ذلك كاليفورنيا. Ptc. korallensis [22] (الشكل 5).

شجرة النشوء والتطور لـ 16S rDNA من الثقافات الحجريّة (N2 و N1) و OTU1 وصناديق الجينوم. تم إنشاء الشجرة باستخدام طريقة الاحتمالية القصوى مع 1000 bootstraps. يشير شريط المقياس إلى تغيير 0.01 لكل موقع من مواقع النيوكليوتيدات. كلا التسلسلين من الثقافات (كل ثقافة لها تكراران بيولوجيان) ، OTU1 وتسلسل 16S كامل من الحاوية 3 متجمعة مع متواليات من الشعاب المرجانية الأخرى المرتبطة Prosthecochloris (CAP) ، وتشكيل كليد CAP

بالإضافة إلى ذلك ، مقارنة الكل كاليفورنيا. Ptc. ص. جينوم A305 إلى جينومات أخرى كاملة ومسودة لأنواع متسلسلة بالفعل من الشعبة كلوروبي، فصلت السلالة الجينوم إلى ثلاث مجموعات رئيسية (كلوروبي, Prosthecochloris، و كلوروباكولوم) كما هو متوقع (ملف إضافي 1: الشكل S10). كاليفورنيا. Ptc. ص. كانت A305 و Bin 3 في كلايد Prosthecochloris مع أقرب جار -كاليفورنيا. Ptc. korallensis - معزول أيضًا عن الشعاب المرجانية ، مكونًا كليد CAP مطابق لتحليل النشوء والتطور 16S.

تثبيت N من GSB و H.2إنتاج S من البكتيريا التي تقلل الكبريت (SRB)

نظرًا لأن تسلسل V6-V8 لـ N2's 16S rDNA كان متسقًا مع حاوية الميتاجينوم و OTU الأكثر شيوعًا في جميع المستعمرات التسع ، وداخل ثقافات N2 ، Prosthecochloris كانت الثقافة الأكثر انتشارًا (مع وفرة نسبية 64.1٪ ، في ملف إضافي 1: الشكل S11) ، كانت ثقافة N2 عبارة عن ثقافة تمثيلية ، واستخدمناها للتحقق من قدرة GSB على إصلاح النيتروجين بواسطة ARA و FISH-NanoSIMS. علاوة على ذلك ، أظهرت نتيجة ARA (الشكل 6 أ) تركيزات أعلى بكثير من C2ح4 من التحكم والسيطرة السلبية خلال 24 و 48 و 96 ساعة في N2 ، مما يؤكد أن ثقافات GSB endolithic لها نشاط نيتروجيناز. لتعزيز النتائج بشكل أكبر ، استخدمنا تصوير FISH-NanoSIMS لثقافات N2 التي نمت في ظروف مع 15 نيوتن.2 كمصدر للنيتروجين الوحيد أظهر أكثر من 15 نيوتن في الخلايا ، مما يحدد أن البكتيريا اللانهائية تثبت النيتروجين. حددت FISH أن GSB هي البكتيريا المهيمنة في N2 القادرة على إصلاح النيتروجين (الشكل 6 ب ، ملف إضافي 1: الشكل S12).

نشاط تثبيت النيتروجين للثقافة الحجريّة من الطبقة الخضراء للهيكل المرجاني. أ مقايسة اختزال الأسيتيلين كوكيل لنشاط تثبيت النيتروجين في الثقافة الباطنية N2. تم استخدام الوسط القاعدي كعنصر تحكم ومعقم N2 كعنصر تحكم سلبي. أ, ب تشير إلى اختلاف كبير في تركيز C2ح4 (ص & lt 0.002) لكل نقطة زمنية ر-اختبار بين N2 والضوابط. ب صور FISH-NanoSIMS الموازية لثقافة الإثراء في العصر الحجري الحديث (N2) قبل (ب, ج, د) و بعد (ه, F, ز) 15 ن2 حضانة. نتائج FISH من قبل (ب) و بعد (ه) 15 ن2 الحضانة تظهر GSB endolithic (الأخضر) والميكروبات الأخرى (الأحمر). الوفرة الطبيعية لتكوين نظائر النيتروجين (12 C 15 N / 12 C 14 N) هي 0.00367 وهي سوداء في شريط الألوان في كلتا الصورتين ج و F. تظهر الصور 32 ثانية توزيع جميع الكائنات الحية الدقيقة من قبل د و بعد ز 15 شمال2 حضانة. تشير أشرطة المقياس إلى 5 ميكرومتر

كانت SRB المحتملة في مجتمع N2 هالوديسولفوفيبريو, ديسولفوروموسا، غير مصنف Desulfuromonadaceae، وغير المصنفة دسولفوباكتيراسيا، معًا يمثلون

13٪ من الوفرة النسبية (ملف إضافي 1: الشكل S11). بالإضافة إلى ذلك ، فإن DSRA تم الكشف عن الجين في ثقافة N2 وعينتين من الطبقة الخضراء من I. palifera (ملف إضافي 1: جدول S5). نسبة DSRA كان الجين إلى جين 16S في N2 وعينتين 0.0461 و 0.0006 و 0.0013 على التوالي. علاوة على ذلك ، اعتمد الاختبار الوظيفي لخفض الكبريتات أيضًا على ثقافة N2. بعد 10 أيام من الزراعة ، تنتج مزارع N2 1.339 جزء في المليون من H2S بينما كان OD 0.649 في المتوسط ​​(ملف إضافي 1: الجدول S6) ، مما يؤكد أن SRB هو الذي خفض الكبريتات في الثقافات.


النشاط المضاد للميكروبات للشعاب المرجانية

ثبت أن أنواع الشعاب المرجانية مثل الأنواع الجورجونية تمتلك نشاطًا مضادًا للميكروبات عند اختبار المستخلصات [3]. أظهرت الأقراص الورقية التي تحتوي على مستخلصات مرجانية من الشعاب المرجانية الجورجونية منطقة واضحة من التثبيط عند اختبارها ضد البكتيريا البحرية المختلفة وكذلك العديد من البكتيريا المسببة للأمراض البشرية [3]. لقد ثبت أن البكتيريا البحرية أقل حساسية للمستخلصات من الشعاب المرجانية الجورجونية من الأنواع البكتيرية غير البحرية [4]. لا يمكن فقط للبكتيريا التي تستعمر أسطح الشعاب المرجانية المغطاة بالمخاط أن تعمل كممرضات ، بل يمكنها أيضًا أن تسبب حشفًا كبيرًا ، وبالتالي فإن آليات التحكم في النشاط الميكروبي ستكون مهمة [4]. عندما تضغط البكتيريا على مستعمرات الشعاب المرجانية ، يزداد إنتاجها للمخاط - والذي وحده لا يقتل مستعمرات الشعاب المرجانية - يمكن للبكتيريا أن تسبب موت المرجان كما هو موضح في التجارب التجريبية بدون المضادات الحيوية [4].

يمكن إجراء البحوث المستقبلية فيما يتعلق بنشاط مضادات الميكروبات في مجموعة متنوعة من الجوانب [3]. أحد الموضوعات التي تتطلب مزيدًا من البحث هو النشاط المضاد للميكروبات غير السام ، حيث لا تقتل المركبات التي ينتجها المرجان بالضرورة أو تمنع نمو كائن معين بدلاً من ذلك تعمل بشكل انتقائي ضد الأنماط الظاهرية أو الخصائص التي تعبر عنها الكائنات الحية الدقيقة المسببة للأمراض [3]. بعبارة أخرى ، قد تدافع الشعاب المرجانية عن نفسها ضد الميكروبات من خلال استهداف الآليات الضرورية للتسبب في المرض ولكن ليس البقاء داخل مزرعة الخلية [3]. موضوع آخر يحتاج إلى مزيد من الدراسة هو دور البكتيريا البحرية التكافلية التي ثبت أنها تنتج مستقلبات ثانوية كان يعتقد سابقًا أنها أنتجت من قبل الكائن الحي المضيف [3].


زونيغا ، سي وآخرون. التنبؤ بمتطلبات التمثيل الغذائي الديناميكي في حقيقيات النوى الضوئية شلوريلا فولغاريس. نبات فيزيول. 176, 450–462 (2017).

تشوبوكوف ، ف ، جيروسا ، إل ، كوتشانوسكي ، ك. & أمبير سوير ، يو. تنسيق التمثيل الغذائي الميكروبي. نات. القس ميكروبيول. 12, 327–340 (2014).

زونيغا ، سي وآخرون. نموذج التمثيل الغذائي على نطاق الجينوم للطحالب الخضراء شلوريلا فولغاريس يتنبأ UTEX 395 بدقة بالأنماط الظاهرية في ظل ظروف النمو ذاتية التغذية وغيرية التغذية والمختلطة التغذية. نبات فيزيول. 172, 589–602 (2016).

ليفيتان ، و. وآخرون. إعادة تشكيل التمثيل الغذائي الوسيط في المشطورة Phaeodactylum tricornutum تحت ضغط النيتروجين. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 112, 412–417 (2015).

Selvarasu، S. et al. يتم دمجها في نمذجة السيليكو وتحليل التمثيل الغذائي لتوصيف ثقافة خلية CHO المغذاة. التكنولوجيا الحيوية. بيونج. 109, 1415–1429 (2012).

Bu ، X. ، Sun ، L. ، Shang ، F. & amp Yan ، G. خميرة الخميرة يؤدي إلى استراتيجية تحسين إنتاج بيتا كاروتين عن طريق مكملات الأسيتات. بلوس واحد 12, 1–21 (2017).

Rakicka، M.، Lazar، Z.، Dulermo، T.، Fickers، P. & amp Nicaud، J.M. إنتاج الدهون بواسطة الخميرة الزيتية يارويا ليبوليتيكا استخدام المنتجات الثانوية الصناعية في ظل ظروف استزراع مختلفة. التكنولوجيا الحيوية. الوقود الحيوي 8, 1–10 (2015).

German-Báez، L. et al. التركيب الكيميائي والخصائص الفيزيائية والكيميائية Phaeodactylum tricornutum الكتلة الحيوية المتبقية من الطحالب الدقيقة. علوم الغذاء. تكنول. كثافة العمليات 23, 681–689 (2017).

بارسونز ، T. R. ، ستيفنز ، K. & amp Strickland ، J.DH على التركيب الكيميائي لأحد عشر نوعًا من العوالق النباتية البحرية. علبة. J. فيش. أكوات. علوم. 18, 1001–1016 (1961).

Siron، R.، Giusti، G. & amp Berland، B. التغيرات في تكوين الأحماض الدهنية لـ Phaeodactylum tricornutum و Dunaliella tertiolecta أثناء النمو وتحت نقص الفوسفور. مارس Ecol. بروغ. سر. 55, 95–100 (1989).

يانج ، واي وآخرون. تكوين فئة الأحماض الدهنية والدهون من الطحالب الدقيقة. Phaeodactylum tricornutum 368, 363–368 (2017).

Willis، A.، Chiovitti، A.، Dugdale، T.M & amp Wetherbee، R. توصيف المصفوفة خارج الخلية لـ Phaeodactylum tricornutum (العصوية): الهيكل والتكوين والخصائص اللاصقة. J. فيكول. 49, 937–949 (2013).

أنت ، سي وآخرون. تنسيق البروتين البكتيري مع التمثيل الغذائي عن طريق إشارات AMP الدورية. طبيعة سجية 500, 301–306 (2013).

زونيغا ، سي وآخرون. تؤدي المحفزات البيئية إلى الانتقال من التعاون إلى المنافسة في المجتمعات ذات التغذية الضوئية الاصطناعية. نات. ميكروبيول. 4, 2184–2191 (2019).

Tibocha-Bonilla، J.D، Zuñiga، C.، Godoy-Silva، R.D & amp Zengler، K. التقدم في النمذجة الأيضية للطحالب الدقيقة الزيتية. التكنولوجيا الحيوية. الوقود الحيوي 11, 241 (2018).

الملك ، Z. A. وآخرون. نماذج BiGG: منصة لدمج وتوحيد ومشاركة نماذج مقياس الجينوم. الدقة الأحماض النووية. 44، D515 – D522 (2016).

Orth، J.D، Thiele، I. & amp Palsson، B. Ø. ما هو تحليل توازن التدفق؟ نات. التكنولوجيا الحيوية. 28, 245–248 (2010).

Noreña-Caro، D. & amp Benton، M.G. البكتيريا الزرقاء كمصانع حيوية ذاتية التغذية للمواد الكيميائية عالية القيمة. J. CO2 Util. 28, 335–366 (2018).

Hefzi، H. et al. إعادة بناء على مستوى الجينوم الإجماعي لعملية التمثيل الغذائي لخلايا مبيض الهامستر الصيني. نظام الخلية. 3، 434–443.e8 (2016).

Kerkhoven، E. J.، Pomraning، K. R.، Baker، S. E. & amp Nielsen، J. يتحكم تنظيم استقلاب الأحماض الأمينية في التدفق إلى تراكم الدهون في يارويا ليبوليتيكا. نظام npj. بيول. تطبيق 2, 16005 (2016).

Levering ، J. ، Dupont ، C.L ، Allen ، A. E. ، Palsson ، B. O. & amp Zengler ، K. Phaeodactylum tricornutum توقع الاستجابة لارتفاع ثاني أكسيد الكربون2 المستويات. أنظمة mSystems 2، e00142–16 (2017).

Mo ، M.L ، Palsson ، B. Ø. & amp Herrgård، M. J. ربط القياسات الأيضية خارج الخلية بحالات التدفق داخل الخلايا في الخميرة. نظام BMC. بيول. 17, 1–17 (2009).

شلينبرجر ، ج. وآخرون. التنبؤ الكمي لعملية التمثيل الغذائي الخلوي باستخدام النماذج القائمة على القيد: COBRA Toolbox v2.0. نات. بروتوك. 6, 1290–1307 (2011).

ليفرينج ، جيه وآخرون. يكشف نموذج مقياس الجينوم عن الأساس الأيضي لتقسيم الكتلة الحيوية في نموذج دياتوم. بلوس واحد 11, 1–22 (2016).

Thiele، I. & amp Palsson، B. Ø. بروتوكول لتوليد إعادة بناء التمثيل الغذائي عالية الجودة على نطاق الجينوم. نات. بروتوك. 5, 93–121 (2010).

ديوغو ، سي في ، يامبير ، ك.ف ، فرنانديز موسكويرا ، إل ، برانكو ، إف تي أند رايموندو ، إن. مغامرات الميتوكوندريا في مجتمع العضيات. بيوتشيم. بيوفيز. الدقة. كومون. 500, 87–93 (2018).

ريمرز ، آي إم وآخرون. تزامن النسخ والبروتينات والأيض في المشطورة Phaeodactylum tricornutum أثناء الحد من النيتروجين. الطحالب ريس. 35, 33–49 (2018).

سميث ، إس آر وآخرون. تطور وتنظيم تدفق النيتروجين من خلال شبكات التمثيل الغذائي المجزأة في المشطورة البحرية. نات كومون 10, (2019).

رايفورد ، دي دبليو وآخرون. هل تكاليف التخليق الحيوي للأحماض الأمينية تقيد تطور البروتين في خميرة الخميرة? جيه مول. Evol. 67, 621–630 (2008).

Seligmann ، H. تقليل تكلفة استخدام الأحماض الأمينية. جيه مول. Evol. 56, 151–161 (2003).

Mee ، M. T. ، Collins ، J. J. ، Church ، G.M & amp Wang ، H. H. التبادل التركيبي في المجتمعات الميكروبية الاصطناعية. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 111، E2149 – E2156 (2014).

كريك ، ت. وآخرون. يتعارض استقلاب الأحماض الأمينية مع تنوع البروتين. مول. بيول. Evol. 31, 2905–2912 (2014).

Du، B.، Zielinski، D.C، Monk، J.M & amp Palsson، B. O. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 115, 11339–11344 (2018).

Joback، K.G & amp Reid، R.C. تقدير خصائص المكونات الصافية من مساهمات المجموعة. تشيم. م. كومون. 57, 233–243 (1987).

Márquez-Jurado، S. et al. تحدد مستويات الميتوكوندريا التباين في موت الخلية عن طريق تعديل التعبير الجيني الأبوطوزيكي. نات. كومون. 9, (2018).

دولجين ، إي. كيف تعمل المحادثات السرية داخل الخلايا على تغيير علم الأحياء. طبيعة سجية 567, 162–164 (2019).

Stepansky ، A. & amp Leustek ، T. التخليق الحيوي للهستيدين في النباتات. أحماض أمينية 30, 127–142 (2006).

إنجل ، ر. أ. التخليق الحيوي للحامض الهيستيدين. عرب. ب 9، e0141 (2012).

أوتا ، د. وآخرون. الاستنساخ الجزيئي وتوصيف ATP-phosphoribosyl transferase من أرابيدوبسيس، وهو إنزيم رئيسي في مسار التخليق الحيوي للحامض الأميني. نبات فيزيول. 122, 907–914 (2002).

تشوبوكوف ، ف.آخرون. استقلاب الجلوكوز الهندسي للإشريكية القولونية تحت تجويع النيتروجين. نظام npj. بيول. تطبيق 3, 1–7 (2017).

Ninfa، A. J. & amp Jiang، P. PII بروتينات تحويل الإشارة: مستشعرات α-ketoglutarate التي تنظم استقلاب النيتروجين. بالعملة. رأي. ميكروبيول. 8, 168–173 (2005).

Tan، J.، Zuñiga، C. & amp Zengler، K. كشف التفاعلات في المجتمعات الميكروبية - من الثقافات المشتركة إلى الميكروبيوم. J. ميكروبيول. 53, 295–305 (2015).

شيا ، P. Z.C ، Ramdzan ، Y.M ، Houghton ، F. J. ، Hatters ، D.M & amp Gleeson ، P. A. الكميات عالية الإنتاجية للاتجار داخل الخلايا وتعطيل العضيات عن طريق قياس التدفق الخلوي. مرور 15, 572–582 (2014).

Tan، H. W. S.، Sim، A. Y.L & amp Long، Y. C. نات. كومون. 8, 338 (2017).

Stevens، S. E.، Balkwill، D.L & amp Paone، D.A M. تأثيرات الحد من النيتروجين على البنية التحتية الدقيقة للبكتيريا الزرقاء Agmenellum quadruplicatum. قوس. ميكروبيول. 130, 204–212 (1981).

Sauer ، J. ، Schreiber ، U. ، Schmid ، R. ، Völker ، U. & amp Forchhammer ، K. المكورات المتزامنة PCC 7942. التمثيل الضوئي منخفض المستوى كآلية للبقاء على المدى الطويل. نبات فيزيول. 126, 233–243 (2001).

سانتوس ، سي وآخرون. أصول التحكم الجزئي في موت الخلية المنظم. بيوركسيف 1–26 (2017).

Cabodevilla ، A.G. وآخرون. يعتمد بقاء الخلية أثناء الحرمان الكامل من المغذيات على أكسدة الأحماض الدهنية التي تغذيها قطرات الدهون. J. بيول. تشيم. 288, 27777–27788 (2013).

Heirendt، L. et al. إنشاء وتحليل النماذج القائمة على القيود البيوكيميائية باستخدام COBRA Toolbox v.3.0. نات. بروتوك. 14, 639–702 (2019).

الملك ، Z. A. وآخرون. Escher: تطبيق ويب لبناء ومشاركة وتضمين تصورات غنية بالبيانات للمسارات البيولوجية. PLoS Comput. بيول. 11, 1–13 (2015).

القاعدة ، إيه وآخرون. عشر قواعد بسيطة لكتابة التحليلات الحسابية ومشاركتها في Jupyter Notebooks. PLOS Comput. بيول. 15، e1007007 (2019).

لاشانس ، ج. وآخرون. BOFdat: توليد معاملات القياس المتكافئ لوظيفة الكتلة الحيوية من البيانات التجريبية. bioRxiv https://doi.org/10.1101/243881 (2018).

Armingol، E.، Tobar، E. & amp Cabrera، R. الإشريكية القولونية على الأسيتات باستخدام النمذجة القائمة على القيد. بلوس واحد 1–21 (2018).

كارب ، بي دي وآخرون. مجموعة BioCyc للجينومات الميكروبية والمسارات الأيضية. نبذة. بيوينفورم. https://doi.org/10.1093/bib/bbx085 (2017).


التحكم في تثبيت النيتروجين البيولوجي

خصائص سلالات سلالة Klebsiella pnuemoniae M5a1 التي تنتج نشاط نيتروجيناز حتى في وجود 15 ملي مولار NH4 + يتم تقديمها. تم العثور على هذه السلالات التي تتطلب إما الجلوتامات أو الجلوتامين لتصدير كميات كبيرة من N ثابت2 مثل NH4 +. تُستخدم هذه المعلومات لدراسة الخصائص الفسيولوجية لـ Rhizobium sp. Rhizobium sp. تم العثور على سلالة "اللوبيا" 32H1 و R. japonicum CB 1809 لتصدير 80 ٪ و 94 ٪ من N2 ثابت في الوسط ، باستخدام تحليل 15 نيوتن. مختلف Rhizobium sp. وجد أنه غير قادر على استخدام NH4 + كمصدر رئيسي للنيتروجين في وجود الغلوتامات في ميدوم. بناءً على هذه النتائج ، نموذج تكافلي N2 يتم تقديم التثبيت. يقترح النموذج أن الغلوتامات التي توفرها الخلية النباتية تمنع استيعاب النيتروجين الثابت2 (مثل NH4 +) إلى مادة الخلية البكتيرية وبالتالي يتم تصديرها إلى الجزء النباتي حيث يتم استيعابها في مستوى الأحماض الأمينية وتنقل خارج العقدة. إمكانية استخدام NH4 كما تمت مناقشة تصدير سلالات أزولا أنابينا في زراعة الأرز.


مقدمة

يتم إجراء تثبيت النيتروجين ، وهو تحويل غاز الدينتروجين إلى نيتروجين متوفر بيولوجيًا ، بواسطة بدائيات نوى متنوعة تسمى ديازوتروف. يلعب دورًا أساسيًا في الحفاظ على إنتاجية البيئات المائية والبرية على الصعيدين المحلي والعالمي. يعد تطوير النماذج الكمية والآلية التي يمكن بواسطتها تفسير الجغرافيا الحيوية والتنبؤ بها ومعدل تثبيت النيتروجين وعلاقتها بالعوامل البيئية تحديًا كبيرًا لدورة الكربون ونمذجة المناخ [1-4].

Diazotrophy في وجود النيتروجين الثابت

توفر القدرة على تثبيت النيتروجين ميزة بيئية واضحة في البيئات قليلة التغذية حيث يكون النيتروجين محدودًا. هذا على حساب كفاءة نمو أقل من الكائن الذي يستخدم النيتروجين الثابت [5] بسبب التكلفة المباشرة لتقليل النيتروجين.2 بالإضافة إلى التكلفة غير المباشرة لإدارة الأكسجين داخل الخلايا ، الذي يزيل نشاط النيتروجيناز [6-10]. تشمل استراتيجيات إدارة الأكسجين التنفس المعزز [7،11-13] ، وخلايا كيس غير متجانسة متخصصة ، والفصل الزمني للنيتروجين وتثبيت الكربون (في الديازوتروفات الضوئية ذاتية التغذية) [14-17]. يؤثر وجود النيتروجين المنخفض أيضًا على تثبيت النيتروجين. من ناحية ، يوفر الأمونيوم أو النترات مصدرًا "أرخص" للنيتروجين للكائن الحي [18] ويمكن أن يمنع وجود النيتروجين الثابت تثبيت النيتروجين [19 ، 20]. On the other hand, there is significant evidence showing that diazotrophs can and do often use both fixed nitrogen and dinitrogen [21].

Uptake of ammonium reduces the cell’s electron potential, which may inhibit the flow of reducing equivalents to nitrogenase [19]. High intracellular concentrations of ammonium have been observed to cause downregulation of nif genes and decrease synthesis of the nitrogenase complex [20], presumably because preferential consumption of fixed nitrogen leads to a more efficient growth. Despite this, active nitrogen fixation is observed in pelagic, mesopelagic and benthic marine environments where fixed nitrogen is present [21–23] and in marine waters, shelf-sediments and salt marshes where it is abundant [21,24–30]. In an extensive review [21], compiled evidence from diverse marine environments showing that, while sustained high concentrations of fixed nitrogen lead to the suppression of N2 fixation, it does not always exclude it. In benthic environments, nitrogen fixation occurs at significant rates at fixed-nitrogen concentrations exceeding 100 μM [31]. Nitrogen fixing organisms do utilize fixed nitrogen sources. على سبيل المثال، Trichodesmium, a marine, phototrophic diazotroph has been shown to assimilate nitrate in laboratory studies [21,32,33] and heterotrohic diazotrophs are seen to switch between, or simultaneously use, both dinitrogen and ammonium [32,34,35].

Significance for ecological and biogeochemical models

Major current models of nitrogen fixation in the marine environment assumes that diazotrophs never utilize fixed nitrogen [36–39]. The ability to use fixed nitrogen extends the viable range for nitrogen fixation beyond highly nitrogen starved environments. It is observed to occur in nature, related to the availability of other substrates including phosphorus and organic carbon [21]. In order to appropriately capture the flexible nitrogen use of diazotrophs in ecological and biogeochemical models, enabling accurate evaluations of the biogeography and integrated rates of nitrogen fixation, we need a framework to predict when it is advantageous to a cell to fix nitrogen, use fixed nitrogen, or a combination of both.

As a step towards developing a quantitative, prognostic framework for modeling nitrogen fixation in diverse environments, here we bring together a quantitative model of the nitrogen fixing bacterium Azotobacter vinelandii [40] and published data from laboratory studies [34,41] in which it was grown in continuous culture with a sucrose and ammonium-based medium. We choose to develop the model around this system because Azotobacter vinelandii is a well-studied model organism (studied over a century [42]) and because the laboratory studies [34,41] are sufficient to quantitatively test and constrain a dynamic model of an organism using both N2 and ammonium under a variety of environmental conditions.

Key findings from laboratory studies

In the laboratory, the expression and rate of nitrogen fixation by the heterotrophic diazotroph Azotobacter vinelandii were examined as a function of relative rates of supply of organic carbon and fixed nitrogen [34]. They quantified this by the molar ratio of sucrose to ammonium in the incoming medium, C/N, where C/N = 1 is equivalent to the elemental ratio C:N = 12 (Table 1). Below a threshold C/N, nitrogen fixation was absent. Above the threshold, nitrogen fixation occurred at a rate which increased with C/N and eventually saturated (Fig 1). The threshold C/N increased and the nitrogen fixation rate decreased as the oxygen concentration increased [34,41]. Below the threshold, the organism’s sole nitrogen source was ammonium. At higher C/N, carbon in excess of the requirements to assimilate the NH4 + was used to deplete intra-cellular oxygen and fuel nitrogen fixation.

Dilution rate is 0.15 (h -1 ) with constant ammonium supply of 0.375 mol m -3 h -1 . Here 100% O2 equals 225 μM thus approximately O2 saturation under normal air composition at 30°C. Points are data redrawn from [34] “+” based on acetylene reduction and “×”based on the rate of total nitrogen incorporation [34].

They are listed roughly in the order of appearance.

The aim of this study is to develop and apply a framework for interpreting and quantifying the cost and rates of nitrogen fixation in the presence of fixed nitrogen. In the Methods section we describe the modeling framework further details are given in the supplementary material. In the Results section we simulate and interpret the nitrogen assimilation strategy of the heterotrophic diazotroph Azotobacter vinelandii under a variety of environmental conditions. In the Discussion, we discuss the implications for the conditions under which heterotrophic nitrogen fixation may be viable in real world environments.


أنظر أيضا

  1. ^ أبجده Postgate, J (1998). Nitrogen Fixation, 3rd Edition. Cambridge University Press, Cambridge UK.  
  2. ^ Slosson, Edwin (1919). Creative Chemistry. New York: The Century Co.. pp.㺓–37.  
  3. ^http://helios.bto.ed.ac.uk/bto/microbes/nitrogen.htm
  4. ^ Moir, JWB (editor) (2011). Nitrogen cycling in bacteria: Molecular analysis. Caister Academic Press. ISBN𧓒-1-904455-86-8.  
  5. ^ "The evolution of nitrogen fixation in cyanobacteria" N. Latysheva, V.L. Junker, W.J. Palmer, G.A. Codd and D. Barker Bioinformatics 2012: 28(5) pp 603-606 (Article) doi:10.1093/bioinformatics/bts008
  6. ^ Herrero A and Flores E (editor). (2008). The Cyanobacteria: Molecular Biology, Genomics and Evolution (الطبعة الأولى). Caister Academic Press. ISBN𧓒-1-904455-15-8. [1] . http://www.horizonpress.com/cyan .  
  7. ^ Smil, V (2000). Cycles of Life. Scientific American Library.  
  8. ^ Elkan, Daniel. Slash-and-burn farming has become a major threat to the world's rainforestThe Guardian 21 April 2004
  9. ^ Op den Camp, Rik وآخرون.. "LysM-Type Mycorrhizal Receptor Recruited for Rhizobium Symbiosis in Nonlegume Parasponia". علم331 (6019): 909–912. DOI:10.1126/science.1198181.  
  10. ^ Dawson, J. O. (2008). "Ecology of actinorhizal plants". Nitrogen-fixing Actinorhizal Symbioses. 6. Springer. pp.𧇇–234. DOI:10.1007/978-1-4020-3547-0_8.  
  11. ^http://www.epa.gov/watertrain/nitroabstr.html US Enivronmental Protection Agency: Human Alteration of the Global Nitrogen Cycle: Causes and Consequences by Peter M. Vitousek, Chair, John Aber, Robert W. Howarth, Gene E. Likens, Pamela A. Matson, David W. Schindler, William H. Schlesinger, and G. David Tilman
  12. ^ A. D. Allen, C. V. Senoff (1965). "Nitrogenopentammineruthenium(II) complexes". Journal of the Chemical Society, Chemical Communications (24): 621. DOI:10.1039/C19650000621.  
  13. ^Catalytic reduction of molecular nitrogen in solutions A.E. Shilov Russian Chemical Bulletin Volume 52, Number 12, 2555-2562, doi:10.1023/B:RUCB.0000019873.81002.60
  14. ^Reduction of dinitrogen Richard R. Schrock PNAS November 14, 2006 vol. 103 no. 46 17087 doi:10.1073/pnas.0603633103
  15. ^Dinitrogen Cleavage by a Three-Coordinate Molybdenum(III) Complex Catalina E. Laplaza and Christopher C. Cummins Science 12 May 1995: 861-863.10.1126/science.268.5212.861
  16. ^A Cycle for Organic Nitrile Synthesis via Dinitrogen Cleavage John J. Curley, Emma L. Sceats, and Christopher C. Cummins J. Am. تشيم. Soc., 2006, 128 (43), pp 14036–14037 doi:10.1021/ja066090a
  17. ^ C. J. Pickett, "The Chatt Cycle and the Mechanism of Enzymic Reduction of Molecular Nitrogen", J. Biol. Inorg. تشيم. 1996 1, 601-606.
  18. ^Synthesis and Reactions of Molybdenum Triamidoamine Complexes Containing Hexaisopropylterphenyl Substituents Dmitry V. Yandulov, Richard R. Schrock, Arnold L. Rheingold, Christopher Ceccarelli, and William M. Davis Inorg. تشيم. 2003 42(3) pp 796–813 (Article) doi:10.1021/ic020505l
  19. ^Catalytic Reduction of Dinitrogen to Ammonia at a Single Molybdenum Center Dmitry V. Yandulov and Richard R. Schrock Science 4 July 2003: Vol. 301. no. 5629, pp. 76–78 doi:10.1126/science.1085326
  20. ^ The catalyst is based on molybdenum(V) chloride and tris(2-aminoethyl)amine substituted with three very bulky hexa-isopropylterphenyl (HIPT) groups. Nitrogen adds end-on to the molybdenum atom, and the bulky HIPT substituents prevent the formation of the stable and nonreactive Mo-N=N-Mo dimer, and the nitrogen is reduced in an isolated pocket. The proton donor is a pyridinium cation, which is accompanied by a tetraborate counter ion. The reducing agent is decamethylchromocene. All ammonia formed is collected as the HCl salt by trapping the distillate with a HCl solution
  21. ^ Note also that, although the dinitrogen complex is shown in brackets, this species can be isolated and characterized. Here the brackets do not indicate that the intermediate is not observed.
  22. ^ Kazuya Arashiba, Yoshihiro Miyake Yoshiaki Nishibayashi A molybdenum complex bearing PNP-type pincer ligands leads to the catalytic reduction of dinitrogen into ammonia Nature Chemistry Volume: 3, Pages: 120–125 Year published:(2011) doi:10.1038/nchem.906


شاهد الفيديو: الميوسين والأكتين. الأحياء. علم الأحياء البشري (كانون الثاني 2022).