 Bu bakterileri türlerinin pek çoğu yem bezelyesinde bulunmakla beraber aynı zamanda tropikal ve sıcak topraklarda da bu tür Rhizobium gruplarına rastlanır. Sıcak bölgelerde izole edilmiş Hup

Bu bakterileri türlerinin pek çoğu yem bezelyesinde bulunmakla beraber aynı zamanda tropikal ve sıcak topraklarda da bu tür Rhizobium gruplarına rastlanır. Sıcak bölgelerde izole edilmiş Hup⁺ türleri bulunmaktadır. Hup⁺ türlerinin % 25’ i Amerika topraklarında izole edilmiştir. Burada Rhizobium japonicum da bulunmaktadır. Bazı durumlarda hidrogenaz enzimi bakteroidi hidrojen döngüsün özendirir (RE değerlerinin 0.75 ile 1.0 arasında olduğu durumlarda). Hidrogenaz enziminin aktivitesi sadece bakteroid türüne bağlı olarak değişmez, konukçu bitkide önemlidir.

Bu nedenle RE ile beraber doğrulayıcı başka bir faktöründe kullanılması gerekir. Dönüşümü tamamlanmış hidrojen fraksiyonları işleme katıldığında elektronların proton indirgeme reaksiyonlarına katılmasını sağlar.

 Aşağıda nitrogenaz verimlilik formülü verilmiştir;

 NE=1-{(serbest hidrojen)+(dönüşümünü tamamlamış hidrojen)}/(indirgenmiş C

H

)



Hidrojen döngüsü simbiyotik azot fiksasyonuna üç farklı mekanizmayla yarar sağlayabilir;

 Hidrojen oksidasyonuyla sağlanan enerji nodüllerdeki

enerjinin korunmasını sağlar.



Buradan bakteroidlerin hidrojeni enerji kaynağı olarak kullanabileceğini söylenebilir (Emerich et al 1978). Bazı koşullar altında Rhizobium Hup

bakterileri hidrojen ve karbondioksidi kullanarak kemotropik gelişim gösterebilirler (Hanus et al 1978).



Her mol, okside olmuş hidrojen için 0.5 mol oksijen kullanılır. Bu şekilde oksijenin nitrogenaz enzimini yok etmesi önlenmiş olur.



Nitrogenazın neden olduğu hidrojen birikimini durdurarak,

hidrojen oluşumunu sağlayan enzimin inaktivasyonunu önler.

BAKLAGİL NODÜLLERİNDEKİ RELATİF VERİMLİLİĞİN GELİŞTİRMESİ İÇİN

BİR ARAŞTIRMA

• Son verilere göre RE’ si 1 dolayında olan Rhizobium baklagil simbiyoz çiftinin bağlama yeteneği; RE si 0.6 olan çiftlerden % 10 daha fazladır.

• Bu durum, aynı bitki üzerindeki nodüllerde daha yoğun görülür.

Bazı nodüllerde Hup⁺ türleri olduğu gibi bazılarında hidrogenaz aktivitesinin olmadığı isogenik mutant Hup^- türleri vardır.

• Nodüllerdeki RE düzeyini arttırmak için Hup ⁺ türlerini seçmek önemlidir.

 Bazı Rhizobium gruplarında bu türler sık görülür. İşe hidrogenaz enzimi eksikliği görülen Rhizobium japonicum grubundaki türlere Hup

geni (hidrogenaz sistemini kodlayan) aktarılarak başlanabilir.

 Konukçu bitki üzerinde çalışarak, nodüllerdeki RE miktarını arttırmakta olasıdır. Dönüşüm işleminde proton indirgemesi sırasında harcanan enerji geri kazanılabilir.

 Elektron sapmalarını en az düzeye indirebilmek önemlidir.

Bu sapma miktarında konukçu bitki özelliklerinin de etkili olduğu görülmektedir.

 Bu durumlarda hidrogenaz sistem aktivitesinde konukçu

bitkinin doğrudan etkili olduğu bilinmektedir.

N₂ + 8 flavodoxin^- + 8H⁺ + 16 MgATP^2- + 18 H₂O

+ 2OH^- + 8 flavodoxin + 16 MgADP^- + 16H₂PO₄^- + H₂

nitrogenase

Biological nitrogen fixation:

2NH₄⁺

1. Rare, extremely energy consuming conversion because of stability of triply bonded N₂

2. Produces fixed N which can be directly

assimilated into N containing biomolecules

Ecology of nitrogen-fixing bacteria

Biological nitrogen fixation is the reduction of

atmospheric nitrogen gas (N₂) to ammonium ions (NH₄⁺) by the oxygen-sensitive enzyme,

nitrogenase

Reducing power is provided by NAPH/ferredoxin, via an Fe/Mocentre.

Even within the bacteria, only certain free-living bacteria (Klebsiella, Azospirillum, Azotobacter),

blue-green bacteria (Anabaena) and a few symbiotic Rhizobial species are known nitrogen-fixers.

Plant genomes lack any genes encoding this enzyme, which occurs only in prokaryotes (bacteria).

Another nitrogen-fixing association exists between an Actinomycete (Frankia spp.) and alder (Alnus spp.)

The enzyme nitrogenase catalyses the conversion of

atmospheric, gaseous dinitrogen (N₂) and dihydrogen (H₂) to ammonia (NH₃), as shown in the chemical equation below:

N₂ + 3 H₂  2 NH₃

The above reaction seems simple enough and the

atmosphere is 78% N₂, so why is this enzyme so important?

The incredibly strong (triple) bond in N₂ makes this reaction very difficult to carry out efficiently.

In fact, nitrogenase consumes ~16 moles of ATP for

every molecule of N₂ it reduces to NH₃, which makes it one of the most energy-expensive processes known

in Nature.

Nitrogenase

A 220 kD heterotetramer

• Each molecule of enzyme contains 2 Mo, 32 Fe, 30 equivalents of acid-labile sulfide (FeS clusters, etc)

• Four 4Fe-4S clusters plus two FeMoCo, an iron- molybdenum cofactor

• Nitrogenase is slow - 12 e

pairs per second, i.e.,

only three molecules of N

per second

Three Types of N-fixers Important in Forest Soils

Cyanobacteria: Autotrophic N-fixers, protect nitrogenase with specialized heterocyst cells.

Heterotorophic bacteria: Free-living or associative with

rhizosphere. Use energy from decomposing organic matter to fix N, protect nitrogenase by rapidly converting O₂ to CO₂ through respiration.

Symbiotic bacteria: Plants form nodules to house bacteria and provide C as energy source (Rhizobium/Bradyrhizobium for

legumes, Frankia for non-legumes). Nodules contain a form of hemoglobin which binds O₂, protecting nitrogenase enzyme.

Nitrogen fixation in Klebsiella bacterium

• Nif system is turned on when

• No fixed nitrogen

• Anaerobic

• Temperature below 30°C

• Nitrogenase is made

• Converts N₂ to NH₃ N2

NH3

e- dinitrogenase

dinitrogenase reductase

e-

cell metabolism

legume

rhizobia

Fixed nitrogen (ammonia)

Fixed carbon (malate, sucrose)

Symbiotic Nitrogen Fixation

The Rhizobium-legume association

Bacterial associations with certain plant families, primarily legume

species, make the largest single

contribution to biological nitrogen fixation in the biosphere

Pea Plant

R. leguminosarum nodules

Pink color is leghaemoglobin a protein that carries oxygen to the bacteroids

Physiology of a legume nodule