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Identification and cloning of the bacterial nodulation specificity gene in the Sinorhizobium melilotiMedicago laciniata symbiosis

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Abstract:

Medicago laciniata (cut-leaf medic) is an annual medic that is highly nodulation specific, nodulating only with a restricted range of Sinorhizobium meliloti, e.g., strain 102L4, but not with most strains that nodulate Medicago sativa (alfalfa), e.g., strains RCR2011 and Rm41. Our aim was to identify and clone the S. meliloti 102L4 gene implicated in the specific nodulation of M. laciniata and to characterize the adjacent nodulation (nod) region. An 11-kb EcoRI DNA fragment from S. meliloti 102L4 was shown to complement strain RCR2011 for nodulation of M. laciniata. Nucleotide sequencing revealed that this fragment contained nodABCIJ genes whose overall arrangement was similar to those found in strains RCR2011 and Rm41, which do not nodulate M. laciniata. Data for Tn5 mutagenesis of the nodABCIJ region of strain 102L4 suggested that the nodC gene was involved in the specific nodulation of M. laciniata. Tn5 insertions in the nodIJ genes gave mutants with nodulation delay phenotypes on both M. laciniata and M. sativa. Only subclones of the 11-kb DNA fragment containing a functional nodC gene from strain 102L4 were able to complement strain RCR2011 for nodulation of M. laciniata. The practical implications of these findings are discussed in the context of the development of a specific M. sativaS. meliloti combination that excludes competition for nodulation by bacterial competitors resident in soil.Key words: Sinorhizobium meliloti, Medicago laciniata, nodulation specificity,nod gene, nucleotide sequence.

Medicago laciniata (luzerne dentelée) est une luzerne annuelle qui est fortement spécifique à la nodulation puisqu'elle ne nodule qu'avec un sélection restreinte de Sinorhizobium meliloti, p. ex. la souche 102L4, mais non avec la plupart des souches qui nodulent Medicago sativa (luzerne), p. ex. les souches RCR2011 et Rm41. Notre but était d'identifier et de cloner le gène 102L4 de S. meliloti qui est impliqué dans la nodulation spécifique de M. laciniata et de caractériser les régions de nodulation (nod) adjacentes. Nous avons révélé qu'un fragment EcoRI d'ADN de 11-kb appartenant à S. meliloti a pu complémenter la souche RCR2011 pour la nodulation de M. laciniata. Un séquençage des nucléotides a révélé que ce fragment renfermait les gènes nodABCIJ, dont la structure génique était semblable à celle retrouvée chez les souches RCR2011 et Rm41, qui ne nodulent pas M. laciniata. Les données obtenues de la mutagénèse par Tn5 de la région nodABCIJ de la souche 102L4 indiquent que le gène nodC est impliqué dans la nodulation spécifique de M. laciniata. Les insertions de Tn5 dans les gènes nodIJ ont engendré des mutants ayant des phénotypes de nodulation retardée autant chez M. laciniata que chez M. sativa. Seuls des sous-clones du fragment d'ADN de 11-kb contenant un gène nodC de la souche 102L4 fonctionnel ont pu complémenter la souche RCR2011 pour la nodulation de M. laciniata. Les conséquences pratiques de ces découvertes sont exposées dans le contexte du développement d'une combinaison M. sativa - S. meliloti qui exclurait la compétition pour la nodulation par des compétitieurs bactériens résidant dans le sol.Mots clés : Sinorhizobium meliloti, Medicago laciniata, spécificité de la nodulation, gène nod, séquences de nucléotides.[Traduit par la Rédaction]
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  • Published since 1954, this monthly journal contains new research in the field of microbiology including applied microbiology and biotechnology; microbial structure and function; fungi and other eucaryotic protists; infection and immunity; microbial ecology; physiology, metabolism and enzymology; and virology, genetics, and molecular biology. It also publishes review articles and notes on an occasional basis, contributed by recognized scientists worldwide.
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