Palacios / Newton Genomes and Genomics of Nitrogen-fixing Organisms

1. Auflage 2005
ISBN: 978-1-4020-3054-3
Verlag: Springer Netherland
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark

E-Book, Englisch, Band 3, 242 Seiten, eBook

Reihe: Nitrogen Fixation: Origins, Applications, and Research Progress

Genomes and Genomics of Nitrogen-fixing Organisms This is Volume 3 of a seven-volume series on all aspects of Nitrogen Fixation. The series aims to be the definitive authority in the field and to act as a benchmark for some years to come. Rather than attempting to cram the whole field into a single volume, the subject matter is divided among seven volumes to allow authors the luxury of writing in depth with a comprehensive reference base. All authors are recognized practicing scientists in the area of their contribution, which ensures the high quality, relevance, and readability of the chapters. In establishing the rationale for, and the organization of, this book, we realized the need to divide it into two sections. The first section should be organism based and should review our current knowledge of the genomes of nitrogen-fixing organisms and what these nucleotide sequences tell us. The second section should then be technology based. It should review what technologies are available to mine the data inherent in the nucleotide sequences and how they are now being used to produce gene-function data from differential gene expression.

Zielgruppe

Research

Autoren/Hrsg.

Palacios, Rafael

Newton, William E.

Inhaltsverzeichnis

Preface to the Series. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ixPreface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiiiList of Contributors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvChapter 1. Origins of Genomics in Nitrogen-Fixation ResearchG. Dávila and R. Palacios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12. Symbiotic Organisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23. Free-Living Organism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5Chapter 2. Genomics of Diazotrophic ArchaeaJ. A. Leigh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72. The Core nif-gene Cluster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83. Other nif Genes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94. Other Nitrogen Assimilatory Genes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95. PII Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11Chapter 3. GenomicAspects of Nitrogen Fixation in the ClostridiaJ.-S. Chen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132. The Nitrogen-Fixing Clostridia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143. The Genome of the Clostridia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154. Organization of the Nitrogen-Fixation Gene Cluster . . . . . . . . . . . . 175. Regulatory Genes for Nitrogen Metabolism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216. Altenative Nitrogen-Fixation (anf) Genes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237. Genes for Nitrogen Assimilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238. Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24Chapter 4. The Genome of the Filamentous Cyanobacterium Nostoc punctiformeJ. C. Meeks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272. Phenotypic Traits of N. punctiforme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293. Overview of the N. punctiforme Genome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374. N. punctiforme genes Involved in Heterocyst Formation, NitrogenaseExpression, and Ammonia and Nitrate Assimilation . . . . . . . . . . 465. Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64References . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64Chapter 5. The nif Genes of Rhodobacter capsulatus, Rhodobactersphaeroides and Rhodopseudomonas palustrisR. Haselkorn and V. Kapatral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 711. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 712. Regulation of the Nitrogen-Fixation System . . . . . . . . . . . . . . . . . . 733. Operon Structure and Gene Organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75Acknowledgement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80Chapter 6. Genomic Architecture of the Multiple Replicons of thePromiscuous Rhizobium Species NGR234P. Mavingui, X. Perret and W. J. Broughton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 831. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 832. Promiscuity of NGR234 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 843. Structural Organization of the NGR234 Genome . . . . . . . . . . . . . . 854. Coding Capacity of eth NGR234 Genome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 915. Conclusions and Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93Chapter 7. Facets of the Bradyrhizobium japonicum 110 GenomeM. Göttfert, H. Hennecke and S. Tabata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 991. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 992.Materials and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1003. Genome Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1004. Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108Chapter 8. pSymA of Sinorhizobium meliloti: Nitrogen Fixation and MoreM. J. Barnett and M. L. Kahn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1131. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1132. History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1143. The pSymA Sequence Project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1154. General Features of pSymA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1155. Comparative Genomics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1166. Plasmid Biology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1177. Elements of External Origin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1178. Transfer RNA Genes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1199. Nodulation Genes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11910. Nitrogen-Fixation Genes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12011. Carbon and Nitrogen Metabolism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12112. Chemotaxis and Pilus Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12313. Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 12314. Regulation and Signal Transduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12415. Stress Responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12516. Sulfur Metabolism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12617. Orphan Genes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12618. Genome-Wide Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12719. A Strategy for Analyzing pSymA of S. meliloti . . . . . . . . . . . . . . 127References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128Chapter 9. Rhizobium etli Genome Biology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1331. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1332. Rhizobium etli Genome Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1343. Rhizobium Genome Plasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1364. Rhizobium etli Taxomony and Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141Chapter 10. The Dawn of Functional Genomics in Nitrogen-Fixation ResearchS. Encarnación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1431. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1432. Functional Genomics – The Role of Gene-Expression Studies . . . . 1443. The Transcriptome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1454. Transcriptomics in Nitrogen-Fixation Research. . . . . . . . . . . . . . . . 1465. Transcriptomics in Plants during Symbiotic Nitrogen Fixation . . . 1486. The Proteome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1507. Proteomics and Nitrogen-Fixation Research . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1528. Proteomics in Plants during Symbiotic Nitrogen Fixation . . . . . . . . 1569. Proteomics in Concert with Transcriptomics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15710. Global Approaches to Study the R. etli-P. vulgaris Interaction . . . 15811. Protein-Protein Interactions: Applications of Molecular Maps . . . 16012. Transcriptomics, Proteomics and Bioinformatics . . . . . . . . . . . . . 16013. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163Chapter 11. Transcriptomics in Sinorhizobium melilotiA. Becker and F. J. De Bruijn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1691. Introduction to Transcriptomics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1692. Introduction to the Biological System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1713. Sinorhizobium meliloti Microarrays. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1724. S. meliloti Macroarrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1755. Conclusions and Perspectives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179References . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180Chapter 12. Genome Dynamics in Rhizobial OrganismsR. Palacios and M. Flores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1831. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1832. Reiterated Sequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1843. Genomic Instability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1864. Natural Gene Amplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1885. Artificial Gene Amplification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1896. Dynamics of Genome Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1917. Prediction of Genome Rearrangements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1938. Identification of Genome Rearrangements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1949. Artificial Selection of Genomic Rearrangements . . . . . . . . . . . . . . 19510. Natural Genomic Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19711. Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198Chapter 13. Impact of Genomics on the Reconstruction of EvolutionaryRelationships of Nitrogen-Fixing Bacteria and Implications for TaxomonyP. Van Berkum and B. D. Eardly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2011. Systematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2012. Current Reflections for Evolution of Diazotrophy . . . . . . . . . . . . . . 2033. Reconstruction of Evolutionary Relationships among Membersof the Kingdom Monera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2034. The Rapid Spread of Antibiotic Resistance: Implications ofReticulate Microbial Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2055. Mechanisms of Horizontal Gene Transfer in Microbes . . . . . . . . . . 2056. Significance of Horizontal Gene transfer in Nature . . . . . . . . . . . . . 2067. Evidence for Lateral Gene Transfers and Recombinationin Microbial Genomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2088. Genomic Islands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2099. Microbial Evolution and Genetic Recombination . . . . . . . . . . . . . . 21010. Established Species Concepts Applied to Bacteria . . . . . . . . . . . . 21011. A Proposed Unified Species fro Bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21212. Relevant Insights from Recent Genomic Comparisons . . . . . . . . . 21213. Implications and Future Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214Chapter 14. The Phylogeny and Evolution of NitrogenasesJ. P. W. Young . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2211. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2212. The Genetic Organization of Nitrogenase Genes . . . . . . . . . . . . . . . 2223. Nitrogenase Genes from Genome Sequencing Projects. . . . . . . . . . 2244. Organization of the Nitrogenase Genes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2255. Evolutionary Relationships of the Nitrogenase Genes . . . . . . . . . . . 2256. Nitrogenase Phylogeny versus Organism Phylogeny . . . . . . . . . . . . 2317. Nitrogenase Genes in their Genomic Context . . . . . . . . . . . . . . . . . 2388. Conclusions and Prospects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239Subject Index. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243