July 7,  2001

An international team combining researchers from CNRS1, INRA2, Canada, the United States, Germany and Belgium has succeeded in sequencing and analysing the genome of the bacterium Sinorhizobium meliloti. Rhizobia are soil bacteria that are capable of assimilating nitrogen in the air together with plants from the legume family, such as lucerne or soybean, which consequently do not require applications of nitrogen fertiliser. Such a process is referred to as symbiosis3. Nitrogen is essential to plant growth, and a shortage of nitrogen is one of the main limiting factors of agricultural production. Although 80% of the earth's atmosphere is made up of nitrogen, most plants are incapable of assimilating it.

Knowledge of the genome of this model rhizobium will make it possible to analyse the symbiosis mechanisms between rhizobia and legume plants more efficiently. It could eventually promote the use of atmospheric nitrogen with a view to cheaper and less polluting farming. Moreover, the structure of the S. meliloti genome suggests that the bacterium may possibly have acquired these
symbiotic properties over time. These results have been published in the journal Science4, in its 27 July 2001 issue.

The genome of the Sinorhizobium meliloti bacterium consists of three different parts. The main part corresponds to the chromosome of a bacterium that is unable to fix nitrogen via symbiosis with a plant. The other two parts would have been acquired successively by the bacterium later on. The first has enabled it to live in the area immediately surrounding the plant roots, i.e. the rhizosphere, a medium that is rich in organic molecules released by the roots and where competition between the numerous bacteria present is considerable. The second has made it capable of inducing the formation of nodules on the roots of legume plants and of assimilating nitrogen from the atmosphere. The genetic information having enabled the legume plants and the bacteria to form an association was probably acquired via horizontal transfer, i.e. exchanges between bacteria that do not resemble each other genetically.

The complete sequencing of the S. meliloti bacterium (which forms a symbiotic association particularly with lucerne) will enable researchers to undertake more efficient analyses of the mechanisms by which symbiosis becomes established and functions, in particular with respect to the integration of plant metabolism and bacterial metabolism during nitrogen fixation. This is all the
more pertinent since S. meliloti is also the symbiotic bacterium of the model legume plant Medicago truncatula, on which international research is also focusing.

The researchers have deciphered the sequence of the S. meliloti genome (6.7 million characters), localised the genes in the sequence and predicted how they probably function by comparing the sequences with information available in the existing databases. They will then be able to study which sets of genes are involved during the different stages of symbiosis: bacterial recognition of the plant, nodulation, infection, assimilation of atmospheric nitrogen. The overall study of gene (transcriptome) expression will be particularly instructive in terms of understanding the physiological mechanisms involved.

The prospects for agriculture are considerable. The aim of this research is to eventually promote the use of atmospheric nitrogen with a view to sustainable agriculture, while reducing the use of nitrogen fertilisers (nitrates) which are costly and highly polluting when applied in excess. A first step in this direction would be to intensify legume cropping (lucerne, soybean, pea, field bean, etc.) since such plants can be cultivated without nitrogen fertilisation and, moreover, are rich in proteins that are of good health value. The transfer of the ability to undertake symbiotic nitrogen fixation onto cereals, however modestly, remains a long-term objective, although the current studies do already provide insights into such an idea.

http://sequence.toulouse.inra.fr/meliloti.html 

(1) Laboratory of Genetics and Development (CNRS – University of Rennes 1, Rennes)

(2) Joint Research Unit for Molecular Biology of Plant/Micro-organism Relationships (CNRS - INRA, Toulouse)

(3) Rhizobium-legume symbiosis
The bacteria collectively referred to as rhizobia form an association with plants from the legume family (lucerne, soybean, pea, field bean to cite only examples of agricultural importance) from which they both gain mutual benefit – this association is referred to as symbiosis. Rhizobia are soil bacteria that are able to cause the roots of legume plants to form particular organs, nodules, within which they are capable of assimilating nitrogen from the air, something that no plant is able to do directly. In this alliance, the plants provide the bacteria with a protective niche and energy and the bacteria, in return, synthesises ammonia, a source of assimilable nitrogen, for their host.  Each year, the annual amount of nitrogen produced all over the world by such rhizobium-legume symbiosis is equivalent to that produced chemically by the fertiliser manufacturing industry, and therefore plays an important ecological and economic role.

(4) F. Galibert et al., The Composite Genome of the Legume Symbiont Sinorhizobium meliloti, Science, 27/01/2001

Scientific contacts:

Francis Galibert, CNRS, Tel: 02 99 33 62 16 or 06 08 24 72 43,
E-mail: Francis.Galibert@univ-rennes1.fr 

Jacques Batut, INRA, Tel: 05 61 28 50 54 or 06 67 17 79 54
E-mail: jbatut@toulouse.inra.fr 

Séquençage de Sinorhizobium meliloti, la bactérie qui permet à la luzerne de pousser en utilisant l'azote de l'air

Une équipe internationale, associant le CNRS1, l’INRA2, et des chercheurs canadiens, américains, allemands et belges a réalisé le séquençage et l’analyse du génome de la bactérie Sinorhizobium meliloti. Les rhizobium sont des bactéries du sol capables d’assimiler l’azote de l’air en association (symbiose3) avec les plantes de la famille des légumineuses, telles que la luzerne ou le soja, qui de ce fait ne nécessitent pas d’engrais azotés. Or, l’azote est indispensable à la croissance des plantes et sa carence constitue l’un des principaux facteurs limitants de la production agricole. L’atmosphère terrestre est pourtant constituée à 80% d’azote, mais la plupart des plantes sont incapables de l’assimiler.

La connaissance du génome de ce rhizobium modèle va permettre d’analyser plus efficacement les mécanismes de la symbiose entre les rhizobium et les légumineuses. Elle pourrait, à terme, favoriser l’utilisation de l’azote atmosphérique dans le contexte d’une agriculture moins coûteuse et moins polluante. La structure du génome de S. meliloti suggère en outre un scénario possible d’acquisition par la bactérie de ses propriétés symbiotiques au cours de l’évolution. Ces résultats sont publiés dans la revue Science4 du 27 juillet 2001.

Le génome de la bactérie Sinorhizobium meliloti est constitué de trois parties distinctes. La partie principale correspond au chromosome d’une bactérie non capable de fixer l’azote en symbiose avec une plante. Les deux autres parties auraient été acquises ultérieurement et de façon successive par la bactérie. La première lui a permis de vivre dans l’environnement immédiat
des racines des plantes, la rhizosphère, milieu riche en molécules organiques excrétées par les racines et où la compétition entre les nombreuses bactéries présentes est forte. La deuxième l’a rendue capable d’induire la formation de nodules sur les racines d’une Légumineuse et d’assimiler l’azote atmosphérique. L’acquisition de l’information génétique ayant permis ce rapprochement
graduel des légumineuses et des bactéries s’est probablement faite par transfert horizontal, c’est à dire par échange entre des bactéries qui ne sont pas génétiquement proches.

Le séquençage complet de la bactérie S. meliloti(qui forme une association symbiotique notamment avec la luzerne) va permettre aux chercheurs d’analyser plus efficacement les mécanismes d’établissement de la symbiose et de son fonctionnement, en particulier l’intégration des métabolismes de la plante et de la bactérie au cours de la fixation de l’azote. D’autant plus que S. meliloti est également la bactérie symbiotique de la légumineuse modèle Medicago truncatula, qui fait, elle aussi, l’objet d’un effort de recherche international. Les chercheurs ont décrypté la séquence du génome de S. meliloti (6,7 millions de caractères), ils ont localisé les gènes sur la séquence et prédit leur fonction probable, par comparaison des séquences avec les informations disponibles dans les banques de données. Dans un deuxième temps, ils vont pouvoir étudier quels sont les ensembles de gènes mobilisés durant les différentes étapes de la symbiose : reconnaissance de la plante par la bactérie, nodulation, infection, assimilation de l’azote atmosphérique. L’étude globale de l’expression des gènes (transcriptome) sera particulièrement
instructive pour comprendre les mécanismes physiologiques à l’œuvre.

Les perspectives pour l’agriculture sont importantes. L’objectif de ces recherches est à terme de favoriser l’utilisation de l’azote atmosphérique dans le contexte d’une agriculture durable, tout en diminuant l’utilisation des engrais azotés (nitrates) qui sont coûteux et polluants, lorsqu’ils sont en excès. L’intensification de la culture des légumineuses, (luzerne, soja, pois, féverole, etc.)
qui présentent l’intérêt d’être cultivables sans engrais azotés et qui de surcroît sont riches en protéines de bonne qualité sanitaire, serait un premier pas dans cette direction. Le transfert d’une capacité de fixation symbiotique de l’azote, même modeste, aux céréales reste un objectif à long terme, mais que les travaux actuels permettent d’entrevoir.

http://sequence.toulouse.inra.fr/meliloti.html 

(1) Laboratoire de génétique et développement (CNRS – Université de Rennes 1, Rennes)

(2) Laboratoire de biologie moléculaire des relations plantes-microorganismes (CNRS - INRA,Toulouse)

(3) La symbiose rhizobium-légumineuses
Les bactéries collectivement appelées rhizobium forment avec les plantes de la famille des légumineuses (luzerne, soja, pois, féverole pour ne citer que des exemples d’intérêt agricole) une association à bénéfices réciproques appelée symbiose. Les rhizobium sont des bactéries du sol capables d'induire sur les racines des légumineuses la formation d'organes particuliers, les nodosités, au sein desquels ils sont capables d’assimiler l'azote de l'air, ce qu’aucune plante n’est capable de faire directement. Dans cette association, la plante fournit une niche protectrice et de l'énergie aux bactéries qui, en échange, synthétisent de l'ammoniac, source d’azote assimilable pour leur hôte. Cette symbiose rhizobium-légumineuses fournit chaque année, à l'échelle de la planète, une quantité d'azote équivalente à celle synthétisée par voie chimique dans l'industrie des engrais, et joue donc un rôle écologique et économique considérable.

(4) F. Galibert et al., The Composite Genome of the Legume Symbiont Sinorhizobium meliloti, Science, 27/01/2001

Contacts scientifiques :

Francis Galibert, CNRS, Tél : 02 99 33 62 16 ou 06 08 24 72 43,
Mél : Francis.Galibert@univ-rennes1.fr 

Jacques Batut, INRA, Tél : 05 61 28 50 54 ou 06 67 17 79 54
Mél : jbatut@toulouse.inra.fr

INRA news release
N3840