A potential role of Calcium in the regulation of nitrogen fixation in Medicago truncatula and Vicia faba

Abstract

In symbiosis with rhizobia, legumes fix N2 in root nodules, whereby bacteroids are harboured in symbiosomes within the host cell. Release of ammonium from symbiosomes by a cation channel is blocked by Ca2+, which may regulate N2 fixation. This project aimed to identify Ca2+-ATPases that move Ca2+ into Medicago truncatula symbiosomes and to determine effects of elevated Ca2+ supply on N2 fixation and growth of Vicia faba. Five candidate genes were investigated for their function, promoter activity, and subcellular localization by yeast complementation, promoter-GUS analysis, and EGFP fusion, respectively. All selected genes complemented a yeast mutant defective in Ca2+ transport. The genes showed different expression patterns and subcellular localizations in roots and nodules. Two of the candidate genes were expressed in infected cells and localized in the symbiosome membrane. N2 fixation and growth of V. faba was not altered upon elevated Ca2+ supply.

In Symbiose mit Rhizobien fixieren Leguminosen N2 in Wurzelknöllchen, wobei sich die Bakteroide in den Symbiosomen der Wirtszelle befinden. Die Freisetzung von Ammonium aus den Symbiosomen durch einen Kationenkanal wird durch Ca2+ blockiert, was die N2-Fixierung regulieren könnte. Ziel des Projekts war es, Ca2+-ATPasen zu identifizieren, die Ca2+ in den Symbiosomraum von Medicago truncatula transportieren, und die Auswirkungen einer erhöhten Ca2+-Zufuhr auf die N2-Fixierung und das Wachstum von Vicia faba zu bestimmen. Fünf Kandidatengene wurden auf ihre Funktion, Promotoraktivität und subzelluläre Lokalisierung durch Hefekomplementierung, Promotor-GUS-Analyse bzw. EGFP-Fusion untersucht. Alle Gene komplementierten eine Hefemutante, die einen Defekt im Ca2+-Transport aufweist. Die Gene zeigten unterschiedliche Expressionsmuster und subzelluläre Lokalisationen in Wurzeln und Knöllchen. Zwei der Kandidatengene wurden in infizierten Zellen exprimiert und waren in der Symbiosommembran lokalisiert. Die N2-Fixierung und das Wachstum von V. faba wurden durch eine erhöhte Ca2+-Zufuhr nicht beeinflusst.